L'interruttore a base d'acqua supera i dispositivi a semiconduttore

Un trio di fisici in Germania ha sviluppato un interruttore a base d'acqua controllato da laser che funziona due volte più velocemente degli interruttori a semiconduttore esistenti. Adrian Buchmann, Claudius Hoberg, Fabio Novelli presso l'Università della Ruhr di Bochum ha utilizzato un impulso laser ultracorto per creare uno stato temporaneo simile a un metallo in un getto di acqua liquida. Ciò ha alterato la trasmissione degli impulsi terahertz su scale temporali di appena decine di femtosecondi.

Con gli ultimi interruttori basati su semiconduttori che si avvicinano ai limiti superiori fondamentali sulla velocità di funzionamento, i ricercatori sono alla ricerca di modi più rapidi per commutare i segnali. Un luogo inaspettato in cui cercare ispirazione è il curioso comportamento dell’acqua in condizioni estreme, come quelle nelle profondità dei pianeti giganti ghiacciati o create da potenti laser.

Le simulazioni di dinamica molecolare suggeriscono che l’acqua entra in uno stato metallico a pressioni di 300 GPa e temperature di 7000 K. Sebbene tali condizioni non si verifichino sulla Terra, è possibile che questo stato contribuisca ai campi magnetici di Urano e Nettuno. Per studiare questo effetto più vicino a casa, recenti esperimenti hanno utilizzato potenti impulsi laser ultracorti per innescare la fotoionizzazione in soluzioni a base acquosa, creando stati fugaci simili ai metalli.

Getto liquido

Nello studio, i tre di Bochum hanno sparato impulsi laser su una soluzione acquosa di ioduro di sodio. La soluzione è stata spruzzata da un ugello specializzato, che ha appiattito il getto liquido in un foglio dello spessore di un micron. Quando sottoposti a un intenso impulso laser ottico della durata di 50 fs, gli elettroni degli ioni ioduro si eccitano nella banda di conduzione dell'acqua liquida. Questo impulso di “pompa” fa sì che l’acqua si comporti come un metallo, almeno temporaneamente.

L'acqua risulta essere elettricamente morta alle interfacce

Mentre si trova in questo stato simile al metallo, le proprietà ottiche dell'acqua vengono temporaneamente alterate. Per rilevare questo cambiamento Buchmann, Hoberg e Novelli hanno sparato un impulso di “sonda” di radiazione terahertz sull’acqua e hanno misurato la quantità di impulso della sonda trasmessa attraverso l’acqua. Quando gli impulsi della pompa e della sonda si sovrapponevano con ritardo pari a zero, hanno scoperto che la trasmissione diminuiva del 20% rispetto alla trasmissione in assenza di un impulso della pompa. Aumentando il ritardo tra la pompa e la sonda, il team ha determinato che sono necessari solo 70 fs affinché l'acqua si rilassi dallo stato metallico al suo stato normale.

Gli impulsi della sonda terahertz erano lunghi circa 1 ps, che è significativamente più lungo dell'impulso della pompa e del tempo di rilassamento dell'acqua. Ciò ha consentito al team di modificare la forma degli impulsi trasmessi dalla sonda, spostando le frequenze negli impulsi a valori più alti. Il trio afferma che questo effetto di spostamento della frequenza potrebbe avere utili applicazioni negli esperimenti.

Guardando più lontano nel futuro, il trio spera che la loro ricerca possa aprire la strada a un nuovo campo di “elettronica dell’acqua”. Con un tempo di commutazione di soli 70 fs, l'acqua è già due volte più veloce dei migliori interruttori a semiconduttore, che impiegano circa 150 fs per cambiare stato.

La ricerca è descritta in Fotonica APL.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/water-based-switch-outpaces-semiconductor-devices/