Chip di grafene plasmon 30.06.2013

I fisici del Massachusetts Institute of Technology hanno creato un circuito elettronico che consente di controllare le onde plasmoniche utilizzando una combinazione di grafene e materiali ferroelettrici. Esperimenti di scienziati hanno mostrato la possibilità fondamentale di creare dispositivi informatici con frequenze operative molto elevate e allo stesso tempo aventi un grado di miniaturizzazione ancora maggiore rispetto ai moderni chip per computer.

Il principio fondamentale del dispositivo si basa sull'uso dei plasmoni: pseudo-particelle con cui i fisici descrivono il comportamento del plasma. Nel contesto di questo lavoro, il plasma non è inteso come un gas ionizzato incandescente, ma come portatori di carica dispersi nel grafene, che può essere descritto in modo abbastanza accurato come una raccolta di particelle di gas di elettroni carichi. In questo gas di elettroni, a loro volta, sorgono oscillazioni che trasportano una certa energia. L'energia delle oscillazioni, in piena conformità con le leggi della meccanica quantistica, è quantizzata ed è il quanto di tali oscillazioni che viene chiamato plasmone.

I plasmoni svolgono un ruolo importante nella fisica dello stato solido, poiché consentono, ad esempio, di prevedere e calcolare le proprietà ottiche delle sostanze. Ma un gruppo di ricercatori del MIT non era interessato a questo, ma alla capacità di controllare i plasmoni, cioè la capacità di dirigere le onde plasmoniche nel posto giusto. Tale controllo è importante non solo perché testerà ancora una volta modelli teorici, ma anche perché le onde plasmoniche possono avere una frequenza molto più alta delle oscillazioni elettromagnetiche nella tecnologia elettronica utilizzata oggi. Se un tipico processore centrale opera a frequenze da centinaia di megahertz a diversi gigahertz, le onde plasmoniche negli esperimenti degli scienziati hanno mostrato la possibilità fondamentale di raggiungere un segno di diversi terahertz, diverse migliaia di gigahertz.

Secondo i ricercatori, sono stati in grado di controllare i plasmoni attraverso una combinazione di due materiali, grafene e ferroelettrico. Il grafene è un foglio piatto spesso un atomo di carbonio e i ferroelettrici o ferroelettrici sono sostanze che possono elettrizzarsi sotto l'influenza di un campo elettrico e mantenere una carica dopo che il campo esterno è stato rimosso. Posizionando un foglio di grafene tra due lastre di niobato di litio, i fisici sono stati in grado di dirigere le onde plasmoniche nella direzione richiesta dopo aver formato i confini della guida d'onda dalle sezioni cariche del ferroelettrico.

Gli esperimenti hanno dimostrato che la distanza tra tali guide d'onda non può essere superiore a 20 nanometri e, in questo caso, le oscillazioni del plasmone non si distorceranno a vicenda. I ricercatori ritengono che il loro lavoro apra la strada, se non all'implementazione industriale del metodo, almeno alla continuazione degli esperimenti con grafene e ferroelettrico. Una delle possibili applicazioni che gli scienziati chiamano dispositivi optoelettronici in cui la luce provoca oscillazioni plasmoniche: stime preliminari suggeriscono che saranno molto più compatti dei moderni convertitori di questo tipo. Inoltre, lo sviluppo può aiutare nella creazione di sistemi veloci per la scrittura e la lettura di informazioni da dispositivi di archiviazione ferroelettrici: teoricamente, la velocità di lavoro può superare di migliaia di volte le tariffe attuali.