Interruttore molecolare 18.03.2023

Un team internazionale di ricercatori, compresi quelli dell'Institute of Solid State Physics dell'Università di Tokyo, ha fatto una scoperta rivoluzionaria. Hanno dimostrato con successo l'uso di una singola molecola chiamata fullerene come interruttore simile a un transistor. Il team ha ottenuto questo risultato applicando un impulso laser finemente calibrato che ha permesso loro di controllare in modo prevedibile il percorso dell'elettrone in ingresso.

Il processo di commutazione fornito dalle molecole di fullerene può essere significativamente più veloce degli interruttori utilizzati nei microchip, con aumenti di velocità da tre a sei ordini di grandezza a seconda degli impulsi laser utilizzati. L'uso di switch fullerene su una rete potrebbe portare a un computer con capacità superiori a quelle disponibili con i transistor elettronici. Inoltre, hanno il potenziale per rivoluzionare i dispositivi di imaging microscopico, offrendo livelli di risoluzione senza precedenti.

Più di 70 anni fa, i fisici hanno scoperto che le molecole emettono elettroni in presenza di campi elettrici e quindi di determinate lunghezze d'onda della luce. L'emissione di elettroni produceva schemi che suscitavano curiosità ma eludevano spiegazioni. Ma le cose sono cambiate grazie a nuove analisi teoriche, la cui ramificazione potrebbe non solo portare a nuove applicazioni high-tech, ma anche migliorare la nostra capacità di scrutare il mondo fisico stesso.

Una semplice analogia di come un cambio di fullerene funziona come un cambio di treno. Un impulso luminoso può modificare il percorso intrapreso da un elettrone in ingresso, qui rappresentato da un circuito.

Il ricercatore del progetto Hirofumi Yanagisawa e il suo team hanno teorizzato come dovrebbe comportarsi l'emissione di elettroni da molecole di fullerene eccitate se esposte a determinati tipi di luce laser e, dopo aver testato le loro previsioni, hanno scoperto che erano corrette.

A seconda della quantità di moto della luce, l'elettrone può rimanere sulla sua rotta predefinita o essere reindirizzato in modo prevedibile. Quindi, è un po' come i punti di commutazione su un binario ferroviario o un transistor elettronico, solo molto più veloce. Gli scienziati ritengono che possiamo raggiungere velocità di commutazione 1 milione di volte superiori a quelle di un transistor classico. E questo può portare a prestazioni reali nell'informatica. Ma altrettanto importante, se riusciamo a sintonizzare il laser in modo che la molecola di fullerene commuti in più modi contemporaneamente, potrebbe essere come avere più transistor microscopici in una singola molecola.

La molecola di fullerene al centro dell'interruttore è correlata al nanotubo di carbonio forse leggermente più noto, sebbene invece di un tubo, il fullerene sia una sfera di atomi di carbonio. Quando vengono posizionati su un punto metallico, essenzialmente l'estremità di una forcina, i fullereni si orientano in un certo modo per guidare gli elettroni in modo prevedibile. Impulsi laser veloci sulla scala di femtosecondi, quadrilionesimi di secondo, o anche attosecondi, quintilionesimi di secondo, sono focalizzati su molecole di fullerene per provocare l'emissione di elettroni. Questa è la prima volta che la luce laser viene utilizzata per controllare l'emissione di elettroni da una molecola in questo modo.

In linea di principio, poiché diversi interruttori elettronici ultraveloci possono essere combinati in una singola molecola, sarebbe necessaria solo una piccola rete di interruttori fullerenici per eseguire compiti computazionali molto più velocemente rispetto ai chip convenzionali. Ma ci sono alcuni ostacoli da superare, come miniaturizzare il componente laser che sarà necessario per creare questo nuovo tipo di circuito integrato. Quindi, potrebbero passare molti anni prima di vedere uno smartphone basato su un interruttore fullerene.