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I ricercatori IBM dimostrano per la prima volta un fenomeno quantistico utilizzando un film di plastica

Originariamente predetto negli anni ’20 da Satyendranath Bose e Albert Einstein, le sue applicazioni potrebbero comprendere laser e switch ottici ad alta efficienza energetica, componenti critici per i futuri sistemi di calcolo per l’elaborazione dei Big data

Milano - 10 dic 2013: Per la prima volta, i ricercatori IBM hanno dimostrato un complesso fenomeno quantomeccanico, noto come condensazione di Bose-Einstein (BEC), utilizzando un polimero luminescente (plastica) simile ai materiali contenuti nei display a emissione luminosa presenti in molti degli attuali smart phone.

Questa scoperta ha potenziali applicazioni nello sviluppo di nuovi dispositivi optoelettronici, tra cui laser ad alta efficienza energetica e switch ottici ultraveloci, componenti critici per costruire i futuri sistemi di calcolo destinati a elaborare enormi carichi di lavoro legati ai Big data. L’uso di un materiale polimerico e l’osservazione del BEC a temperatura ambiente forniscono vantaggi sostanziali in termini di applicabilità e costo.


In tutto il mondo, ricercatori IBM sono concentrati su un ambizioso programma per sviluppare sistemi di calcolo focalizzati sui dati in grado di elaborare enormi carichi di lavoro ad una velocità di cinquanta volte superiore a quella attuale. La disponibilità di interconnessioni ottiche ad alta velocità in grado di scambiare enormi volumi di dati, petabyte o exabyte, supporterà nella realizzazione di sistemi ad alte prestazioni, ideali per la gestione di reti energetiche, le bioscienze, la modellazione finanziaria e le previsioni meteorologiche e climatiche.

Il complesso fenomeno dimostrato dai ricercatori IBM a temperatura ambiente prende il nome dai celebri scienziati Satyendranath Bose e Albert Einstein, i primi a predirlo verso la metà degli anni ’20, ed è stato dimostrato sperimentalmente solo molto più avanti, nel 1995.
Un condensato di Bose-Einstein è un particolare stato della materia che si verifica quando un gas diluito di particelle (bosoni) viene raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto (corrispondente a -273 gradi Celsius o -459 gradi Fahrenheit). A questa temperatura, si verificano interessanti fenomeni quantistici su scala macroscopica, nei quali tutti i bosoni si allineano come ballerini.
Nel 1995 ciò fu dimostrato per la prima volta a queste temperature estreme ma oggi, in una pubblicazione apparsa su Nature Materials, i ricercatori IBM hanno raggiunto lo stesso stato a temperatura ambiente utilizzando un sottile film di polimero non cristallino, sviluppato da chimici dell’Università di Wuppertal in Germania.

Nell’esperimento, un sottile strato polimerico viene collocato tra due specchi ed sollecitato con luce laser. Questo sottile film di plastica ha uno spessore di circa 35 nanometri (un foglio di carta è spesso circa 100.000 nanometri). Le particelle bosoniche vengono create attraverso l’interazione fra il materiale polimerico e la luce, che rimbalza avanti e indietro tra i due specchi.
Il fenomeno dura solo alcuni picosecondi (trilionesimi di secondo), ma i ricercatori ritengono che sia già sufficientemente lungo per utilizzare i bosoni e creare una sorgente di luce simile a laser e/o uno switch per future interconnessioni ottiche. Questi componenti sono elementi fondamentali per controllare il flusso di informazioni, sotto forma di zeri e di uno, tra i chip del futuro ed sono in grado di accelerare significativamente le prestazioni, con un consumo di energia molto minore.

“Che fosse possibile ottenere il BEC utilizzando un film polimerico al posto dei soliti cristalli ultra-puri ha superato le nostre aspettative”, spiega il Dr. Thilo Stoferle, fisico di IBM Research. “È davvero un bellissimo esempio di meccanica quantistica in cui poter vedere direttamente il mondo quantico su scala macroscopica”.

Il passo successivo per i ricercatori è studiare e controllare le straordinarie proprietà del condensato di Bose-Einstein e valutarne le possibili applicazioni, incluse le simulazioni quantistiche analogiche. Tali simulazioni potrebbero essere utilizzate per modellare fenomeni scientifici molto complessi come la superconduttività, obiettivo difficile da realizzare con gli approcci computazionali di oggi.

La ricerca è stata finanziata nell’ambito del progetto FP7 dell’Unione europea, denominato ICARUS. L’obiettivo di ICARUS è creare e caratterizzare nuovi sistemi di semiconduttori ibridi e per utilizzarli in dispositivi fotonici e optoelettronici. Per ulteriori informazioni, visitate il sito: www.icarus.group.shef.ac.uk
Questa ricerca è stata condotta presso il Binnig and Rohrer Nanotechnology Center del centro di Rircerca di Zurigo.
Il documento scientifico intitolato "Room-temperature Bose–Einstein condensation of cavity exciton–polaritons in a polymer", di Johannes D. Plumhof, Thilo Stoferle, Lijian Mai, Ullrich Scherf e Rainer F. Mahrt, è pubblicato su Nature Materials, DOI: 10.1038/NMAT3825

Contatti

Alessandra Apicella
Media relations
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