Quantistico

Dialogo del 29 agosto 2023

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di Kosala Herath e Malin Premaratne

La richiesta di condivisione ed elaborazione rapida dei dati ha innescato una corsa per una maggiore larghezza di banda nei sistemi di comunicazione wireless. Ciò è descritto dalla legge di Edholm, secondo la quale la larghezza di banda e la velocità dei dati raddoppiano all'incirca ogni anno e mezzo. Mentre le nostre reti wireless si avvicinano ai limiti, la ricerca di velocità di trasmissione dati ancora più elevate spinge i ricercatori a esplorare territori inesplorati: bande di frequenza più elevate come le onde millimetriche, i terahertz e le frequenze ottiche.

Sebbene la lunghezza d’onda millimetrica sia stata adottata nei sistemi wireless a corto raggio, per le esigenze future ne servirà di più. La comunicazione wireless ottica offre un'elevata larghezza di banda ma deve affrontare sfide dovute alle normative di sicurezza e ai problemi di rumore. La comunicazione Terahertz potrebbe fornire velocità di trasmissione dati incredibilmente elevate per le applicazioni quotidiane, anche quelle su scala chip come i microprocessori integrati.

L'informatica moderna fa molto affidamento sui processori multicore, dispositivi in ​​miniatura contenenti più unità di elaborazione. Ultimamente, i produttori hanno migliorato le prestazioni aggiungendo più unità di elaborazione e riducendo le dimensioni dei sistemi di chip. Ciò ha portato ad un aumento significativo del numero di singole parti informatiche in uno spazio ridotto, rendendo più complesse le connessioni tra loro. Tuttavia, i modi convenzionali in cui queste parti sono collegate sono inefficienti e possono rallentare il sistema.

Per affrontare questa sfida, emerge una soluzione entusiasmante: utilizzare metodi di comunicazione wireless che operano nell’intervallo dei terahertz. Questi metodi possono stabilire connessioni wireless rapide ed efficienti tra i vari componenti del sistema. Tuttavia, l'implementazione efficace di queste tecnologie richiede l'integrazione di diversi componenti per l'elaborazione dei segnali all'interno del ricevitore del sistema. Ciò comporta i compiti cruciali di rilevamento e decodifica delle informazioni dal segnale trasmesso. Inoltre, allineare l'antenna del ricevitore con la lunghezza d'onda specifica del segnale portante terahertz presenta difficoltà nel rendere compatto il ricevitore.

Di conseguenza, l’approccio attuale spesso si traduce in ricevitori ingombranti, pesanti e inaffidabili. Questa limitazione ha spinto i ricercatori a concentrarsi sullo sviluppo di tecnologie di ricevitori innovative che non solo siano piccole e leggere ma consumino anche meno energia.

Il nostro gruppo di ricerca ha svelato un quadro teorico completo: un rilevatore e demodulatore di segnali terahertz su scala quantistica. Questo approccio innovativo sfrutta il comportamento quantistico dei portatori di carica quando esposti a un’intensa guida periodica. I nostri risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physica Scripta.

Nel campo della fisica della materia condensata, l’uso delle interazioni luce-materia per portare i materiali quantistici in stati lontani dall’equilibrio sono fondamentali per svelare nuove fasi quantistiche che rimangono inaccessibili in condizioni di equilibrio. Tra i metodi comunemente citati spicca il Floquet engineering. Questa tecnica consente ai ricercatori di esplorare molti nuovi stati quantistici che emergono quando un sistema è soggetto a forti radiazioni tempo-periodiche [1, 2, 3].

Grazie all’ingegneria Floquet, abbiamo dimostrato che la conduttività del pozzo quantico di un semiconduttore bidimensionale si collega linearmente con la frequenza della radiazione applicata entro un intervallo specifico. Il fondamento delle nostre scoperte risiede nella comprensione che sottoporre un semiconduttore bidimensionale a un pilotaggio periodico ne migliora la conduttività elettrica.