Un team di scienziati ha sviluppato un metodo che sfrutta la struttura della luce per distorcere e modificare le proprietà dei materiali quantistici. I loro risultati, pubblicati oggi in Natura, aprono la strada ai progressi nell’elettronica quantistica, nell’informatica quantistica e nell’informazione di prossima generazione la tecnologia.
Il team, guidato da ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e dell'Università di Stanford, ha applicato questo metodo a un materiale noto come nitruro di boro esagonale (hBN), un singolo strato di atomi disposti a nido d'ape con proprietà che lo rendono unico adatto per la manipolazione quantistica. Nei loro esperimenti, gli scienziati hanno utilizzato un tipo speciale di luce, il cui campo elettrico assomiglia a un trifoglio, per modificare e controllare il comportamento del materiale a livello quantistico su una scala temporale ultraveloce.
Il modo in cui l'onda luminosa viene distorta consente inoltre ai ricercatori di controllare con precisione le proprietà quantistiche del materiale, regole che determinano il comportamento degli elettroni, che sono essenziali per l'elettricità e il flusso di dati. Questa capacità di controllare le proprietà quantistiche su richiesta potrebbe aprire la strada alla creazione di interruttori quantistici ultraveloci per le tecnologie future.
"Il nostro lavoro è simile a trovare un nuovo modo di sussurrare al mondo quantistico e far sì che ci riveli i suoi segreti", ha affermato Shubhadeep Biswas, uno scienziato dello SLAC e dell'Università di Stanford che ha guidato la ricerca.
Le tecniche tradizionali spesso richiedono che la luce abbia la giusta energia per lavorare con un materiale, una limitazione che questo nuovo approccio aggira abilmente. Utilizzando un tipo speciale di luce e adattando il suo schema per adattarlo a quello del materiale, gli scienziati possono convincere il materiale a nuove configurazioni senza essere vincolati dalle sue proprietà naturali.
“Questa luce strutturata non illumina solo il materiale; si attorciglia attorno ad esso, alterando le sue proprietà quantistiche su richiesta in un modo che possiamo controllare”, ha detto Biswas.
Questa flessibilità potrebbe consentire al metodo di funzionare per un’ampia gamma di applicazioni, facilitando lo sviluppo di nuove tecnologie. In sostanza, il team ha creato condizioni in cui gli elettroni si muovono in modi nuovi e controllabili. Ciò potrebbe, ad esempio, portare allo sviluppo di interruttori superveloci per computer quantistici, che potrebbero superare drasticamente le prestazioni dei computer che usiamo oggi.
Al di là dei risultati immediati, questa ricerca è promettente per future applicazioni nel campo della “valletronica”, un campo che sfrutta le proprietà quantistiche degli elettroni che risiedono in diverse valli energetiche di un materiale per l’elaborazione delle informazioni. A differenza degli approcci tradizionali che richiedono che la luce corrisponda a quelle valli energetiche, il nuovo metodo è più adattabile e offre una nuova direzione per lo sviluppo di dispositivi quantistici.
La capacità dei ricercatori di manipolare le valli quantistiche nell'hBN potrebbe portare a nuovi dispositivi, come gli interruttori quantistici ultraveloci, che operano non solo sul binario di 0 e 1 ma sul panorama più complesso dell'informazione quantistica. Ciò consentirà modalità più rapide ed efficienti di elaborazione e archiviazione delle informazioni.
"Non si tratta solo di accendere e spegnere un interruttore", ha affermato il collaboratore Matthias F. Kling, direttore della divisione R&D di LCLS. “Si tratta di creare un interruttore che possa esistere in più stati contemporaneamente, aumentando notevolmente la potenza e il potenziale dei nostri dispositivi. Apre un modo completamente nuovo di progettare le proprietà dei materiali a livello quantistico. Le potenziali applicazioni sono vaste e vanno dall’informatica quantistica a nuove forme di elaborazione delle informazioni quantistiche”.
La ricerca fa luce anche sui modi fondamentali in cui gli scienziati possono interagire e controllare il mondo quantistico. Per gli scienziati coinvolti, questo viaggio nel regno quantistico non riguarda solo il brivido della scoperta, ma anche il superamento dei confini di ciò che è possibile.
"Uno degli aspetti più interessanti è l'enorme potenziale delle nostre scoperte", ha affermato Biswas. “Siamo all’apice di una nuova era tecnologica e stiamo appena iniziando a esplorare cosa è possibile fare quando sfruttiamo la potenza dei materiali quantistici”.
Il team comprendeva anche ricercatori del Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching; Ludwig-Maximilians-Universitat Monaco di Baviera in Germania; e Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid in Spagna.