Elettroni al limite della velocità

La velocità non sarà una stregoneria, ma è alla base di tecnologie che spesso sembrano magiche. I moderni computer, ad esempio, sono così potenti perché i loro minuscoli elementi di commutazione controllano le correnti elettriche in frazioni di miliardesimo di secondo. Gli incredibili flussi di dati di Internet, invece, sono possibili solo perché modulatori elettro-ottici estremamente veloci inviano le informazioni sotto forma di brevissimi impulsi di luce attraverso cavi in fibra ottica.

Già oggi i circuiti elettronici operano abitualmente a frequenze che vanno da alcuni gigahertz (un miliardo di oscillazioni al secondo) a terahertz (mille miliardi di oscillazioni). Prima o poi, la prossima generazione di elettronica dovrà passare alla gamma dei petahertz, che è mille volte più veloce. Tuttavia, se e come gli elettroni possano essere controllati così rapidamente è ancora in gran parte sconosciuto. Un team guidato dalla professoressa Ursula Keller dell'ETH ha ora condotto un esperimento fondamentale per studiare come gli elettroni reagiscono ai campi petahertz.

Nel loro esperimento, Keller e collaboratori hanno esposto un minuscolo pezzo di diamante, spesso appena 50 nanometri, a un impulso laser nella gamma degli infrarossi della durata di alcuni femtosecondi (cioè un milionesimo di miliardesimo di secondo). Il campo elettrico di questa luce laser, che ha una frequenza di circa mezzo petahertz, ha oscillato avanti e indietro per cinque volte in questo breve lasso di tempo, eccitando così gli elettroni. In principio, l'effetto dei campi elettrici sugli elettroni nei materiali trasparenti può essere misurato indirettamente inviando la luce attraverso il materiale e osservando quanto viene assorbita da esso. Mentre tali misure sono semplici per campi elettrici costanti, i campi oscillanti estremamente rapidi di un raggio laser pongono i ricercatori di fronte a un compito difficile. In linea di principio, la luce utilizzata per misurare l'assorbimento dovrebbe essere accesa solo per una frazione del periodo di oscillazione del campo elettrico. Ciò significa che l'impulso di misura deve durare meno di un femtosecondo. Inoltre, è necessario sapere esattamente in quale fase di oscillazione si trova il campo elettrico dell'impulso laser quando l'impulso di misura viene acceso.

Pietra di fondazione degli anni Novanta

Il team di Keller ha posto le basi per la soluzione di questi problemi già alla fine degli anni '90. "All'epoca abbiamo dimostrato per la prima volta come sia possibile stabilizzare con precisione la fase di oscillazione di un impulso laser a femtosecondi", spiega Keller, "che a sua volta è il prerequisito per generare impulsi laser ad attosecondi". Questa tecnica è stata poi perfezionata e ora consente ai ricercatori di produrre impulsi di luce nell'estremo ultravioletto con lunghezze d'onda di circa 30 nanometri che durano solo una frazione di femtosecondo e sono perfettamente sincronizzati con la fase di oscillazione di un impulso a infrarossi. Negli ultimi esperimenti, i ricercatori della Fare ricerca all'ETH hanno utilizzato una combinazione di impulsi laser di questo tipo per eccitare gli elettroni nel diamante con il campo elettrico dell'impulso a infrarossi e misurare contemporaneamente i cambiamenti di assorbimento risultanti con l'impulso ultravioletto di attosecondi. In effetti, hanno visto che questo cambiava in modo caratteristico al ritmo del campo elettrico oscillante dell'impulso laser infrarosso.

Tuttavia, per capire nel dettaglio cosa succedeva all'interno del diamante, è stato necessario un po' di lavoro investigativo. In primo luogo, i ricercatori guidati da Katsuhiro Yabana dell'Università di Tsukuba in Giappone, in collaborazione con l'ETH, hanno simulato la reazione degli elettroni del diamante all'impulso infrarosso utilizzando un supercomputer e hanno riscontrato lo stesso comportamento di assorbimento misurato all'ETH di Zurigo. Queste simulazioni hanno rivelato la complessa interazione degli elettroni nel reticolo cristallino del diamante, che si riflette in un gran numero di cosiddette bande energetiche in cui gli elettroni possono trovarsi. "Il vantaggio delle simulazioni rispetto all'esperimento, tuttavia, è che è possibile attivare e disattivare vari di questi effetti che si verificano nel diamante reale", spiega Matteo Lucchini, postdoc nel gruppo di ricerca di Keller, "così che alla fine siamo riusciti a ricondurre il comportamento caratteristico di assorbimento del diamante a due sole bande energetiche".

Limite di velocità nella gamma dei petahertz

Questa scoperta è stata decisiva per l'interpretazione dei dati di misurazione. Ha permesso ai ricercatori di concludere che l'effetto Franz-Keldysh dinamico è responsabile dell'assorbimento nel diamante sotto l'influenza dell'impulso laser a infrarossi. Mentre l'effetto Franz-Keldysh è noto e ben compreso da anni per i campi elettrici statici, la sua controparte dinamica per i campi oscillanti estremamente veloci non era mai stata osservata prima. "Il fatto di poter osservare questo effetto anche a frequenze di eccitazione petahertz ci ha confermato che gli elettroni possono effettivamente essere influenzati alla velocità limite del campo laser petahertz", spiega Lukas Gallmann, Senior Scientist del laboratorio di Keller.

L'interazione dinamica è di fondamentale interesse anche perché si verifica in un'area che non è né chiaramente dominata dalla meccanica quantistica né chiaramente dominata dall'interazione classica luce-materia. Ciò significa che giocano un ruolo sia gli effetti fisici in cui la luce entra in gioco sotto forma di quanti di energia (fotoni) sia quelli in cui rappresenta un campo elettromagnetico classico. Il lavoro ora pubblicato ha dimostrato che la reazione del materiale al campo ottico è dominata dal movimento degli elettroni in una singola banda energetica piuttosto che da transizioni tra bande diverse. In esperimenti simili, in precedenza non era chiaro cosa stesse accadendo esattamente, ma l'esperimento dell'ETH ha ora chiarito la questione.

La strada per arrivare all'elettronica a petahertz è ancora lunga e altri effetti fisici potrebbero limitare le prestazioni. Tuttavia, Gallmann sottolinea che i nuovi risultati sono rilevanti sotto diversi aspetti, in quanto dimostrano che è ancora possibile controllare e commutare gli elettroni con campi elettrici a frequenze così elevate. Lucchini aggiunge: "Il diamante è un materiale importante che trova applicazione in una vasta gamma di tecnologie, dall'optomeccanica ai biosensori. Una comprensione precisa dell'interazione con i campi di luce, come quella che abbiamo raggiunto ora, è quindi fondamentale".