Pubblicato su Nature Photonics uno studio guidato dal Politecnico di Milano con la partecipazione del Cnr-Ifn: osservato per la prima volta il ruolo cruciale delle cariche virtuali nei materiali isolanti
Comprendere l’interazione tra luce e materia su scale temporali ultrabrevi è una delle sfide più affascinanti della fisica moderna. Un recente studio internazionale, coordinato dal Politecnico di Milano e pubblicato su Nature Photonics, con il contributo dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Cnr (Cnr-Ifn), ha rivelato un elemento chiave finora trascurato: l’influenza determinante delle cariche virtuali nei materiali isolanti.
Cariche virtuali e impulsi di luce ultrabrevi
Le cariche virtuali sono portatori che esistono soltanto durante l’interazione con la luce, ma che possono modificare profondamente la risposta di un materiale. I ricercatori hanno studiato il comportamento del diamante monocristallino colpito da impulsi luminosi di durata attosecondica (un miliardesimo di miliardesimo di secondo), sfruttando la tecnica avanzata della spettroscopia a riflessione transiente su scala degli attosecondi.
Confrontando i dati sperimentali con simulazioni numeriche d’avanguardia, è stato possibile isolare l’effetto delle transizioni virtuali verticali tra le bande elettroniche del diamante. Questo risultato segna un cambio di paradigma nella comprensione dei processi ottici nei solidi, dimostrando che anche le eccitazioni virtuali contribuiscono in modo determinante alla risposta ultrarapida dei materiali.
Verso l’elettronica del futuro
“Le eccitazioni di portatori virtuali, che si sviluppano in tempi incredibilmente brevi, sono indispensabili per prevedere correttamente la risposta ottica rapida nei solidi”, spiega Matteo Lucchini, professore di Fisica al Politecnico di Milano e associato al Cnr-Ifn. Aggiunge Rocío Borrego Varillas, ricercatrice del Cnr-Ifn: “Si tratta di un passo decisivo per lo sviluppo di tecnologie ultraveloci”.
L’impatto della scoperta è di vasta portata: apre la strada a nuovi dispositivi ottici in grado di operare a frequenze di petahertz, mille volte più veloci rispetto agli attuali dispositivi elettronici. Interruttori e modulatori ottici ultrarapidi, basati sulla comprensione delle cariche virtuali, potrebbero rivoluzionare il settore dell’elettronica ultrarapida e delle telecomunicazioni.
Collaborazioni e progetti internazionali
La ricerca è stata condotta presso l’Attosecond Research Center (ARC) del Politecnico di Milano, in collaborazione con l’Università di Tsukuba e il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter. Lo studio si inserisce nei progetti europei ed italiani ERC AuDACE (Attosecond Dynamics in AdvanCed matErials) e MIUR FARE PHorTUNA (PHase Transition Ultrafast dyNAmics in Mott insulators), confermando l’eccellenza della ricerca italiana in un settore di frontiera della fotonica e della fisica della materia.
