La legge universale della crescita in fisica è rimasta per decenni una questione aperta, uno di quei problemi che sembrano semplici sulla carta ma che poi, nei laboratori, fanno impazzire chiunque provi a confermarli. Eppure, un gruppo di scienziati dell’Università di Würzburg è riuscito nell’impresa: dimostrare sperimentalmente, per la prima volta in assoluto, che il modello matematico noto come equazione KPZ funziona anche in due dimensioni. E questo cambia parecchie cose.

Facciamo un passo indietro. Nel 1986, tre ricercatori (Kardar, Parisi e Zhang) proposero un’equazione pensata per descrivere come le superfici crescono. Un cristallo che si forma, una colonia di batteri che si espande, un fronte di fiamma che avanza: processi diversissimi tra loro, eppure governati dalle stesse regole nascoste. L’idea era potente, quasi elegante nella sua semplicità. Ma confermarla con un esperimento vero? Tutta un’altra storia.

Perché ci sono voluti quarant’anni per arrivare a questa conferma

Il problema principale è che i processi di crescita delle superfici sono casuali, non lineari e si svolgono fuori dall’equilibrio termodinamico. Come spiega Siddhartha Dam, ricercatore post dottorato nel Cluster di Eccellenza ct.qmat a Würzburg, progettare un sistema capace di misurare contemporaneamente l’evoluzione spaziale e temporale di un processo fuori equilibrio è una sfida enorme. Soprattutto quando tutto si gioca su scale temporali ultrabrevi, nell’ordine dei picosecondi.

Nel 2022, un team di Parigi era riuscito a confermare le previsioni dell’equazione KPZ, ma solo in una dimensione. Il salto a due dimensioni si è rivelato molto più complicato. Fino a oggi.

Il trucco? Particelle ibride di luce e materia, osservate a temperature estreme

Per riuscirci, il team di Würzburg ha costruito un esperimento quantistico estremamente controllato. Ha raffreddato un semiconduttore in arseniuro di gallio fino a circa meno 269 gradi centigradi e lo ha stimolato con un laser. In queste condizioni si formano particelle molto particolari chiamate polaritoni, ibridi tra fotoni ed eccitoni. Esistono solo per pochi picosecondi e solo in condizioni di non equilibrio, il che li rende perfetti per studiare i processi di crescita rapida.

La struttura del materiale gioca un ruolo cruciale. Strati a specchio intrappolano i fotoni all’interno di un sottile “film quantistico”, dove interagiscono con gli eccitoni formando polaritoni osservabili nel tempo e nello spazio. Simon Widmann, dottorando che ha condotto gli esperimenti, ha spiegato che il controllo della crescita del materiale avviene atomo per atomo grazie all’epitassia a fascio molecolare, permettendo di regolare con precisione micrometrica tutti i parametri sperimentali, compreso il laser.

Il concetto teorico alla base dell’esperimento era stato proposto già nel 2015 da Sebastian Diehl, professore all’Università di Colonia. Ma trasformare quella teoria in una dimostrazione concreta ha richiesto oltre un decennio di lavoro. Diehl stesso ha commentato che questa dimostrazione sperimentale della universalità KPZ in sistemi bidimensionali evidenzia quanto l’equazione sia fondamentale per descrivere i sistemi reali fuori dall’equilibrio.

Quello che rende tutto questo affascinante non è solo il risultato in sé, ma le implicazioni. Se processi così diversi seguono davvero le stesse regole matematiche quando crescono, allora la fisica ha tra le mani uno strumento potentissimo. Dalla formazione dei cristalli alla dinamica delle popolazioni, fino all’apprendimento automatico, il modello KPZ potrebbe essere la chiave per comprendere fenomeni che, in apparenza, non hanno nulla in comune. E adesso, finalmente, la conferma sperimentale c’è.

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Gli smart glasses rappresentano da tempo una promessa tecnologica enorme, eppure qualcosa ha sempre frenato la loro diffusione di massa. Il problema, a dirla tutta, non è mai stato il software o la connettività. È sempre stata una questione di hardware: i display necessari per proiettare informazioni davanti agli occhi sono ancora troppo ingombranti, troppo pesanti, troppo poco pratici. Ma una svolta arrivata dai laboratori dell’Università di Würzburg potrebbe cambiare tutto. Un gruppo di fisici ha realizzato il pixel OLED più piccolo mai costruito, appena 300 nanometri di lato, senza sacrificare nemmeno un briciolo di luminosità. Parliamo di dimensioni talmente ridotte che un intero display Full HD potrebbe stare nello spazio di un granello di sabbia. Una roba che, fino a poco tempo fa, sembrava pura fantascienza.

La ricerca, pubblicata sulla rivista Science Advances, porta la firma dei professori Jens Pflaum e Bert Hecht. Il loro team ha usato un’antenna ottica metallica su scala nanometrica che funziona sia come contatto elettrico per iniettare corrente nell’OLED, sia come amplificatore della luce generata. Il risultato è un pixel per luce arancione grande 300 per 300 nanometri, luminoso quanto un pixel OLED convenzionale che misura 5 per 5 micrometri. Per dare un’idea delle proporzioni: un nanometro è un milionesimo di millimetro. Con queste dimensioni, un proiettore con risoluzione 1920 x 1080 pixel potrebbe occupare un’area di appena un millimetro quadrato. Abbastanza compatto da essere integrato direttamente nelle astine di un paio di occhiali, con la luce proiettata sulle lenti.

Perché rimpicciolire i pixel OLED è stato finora quasi impossibile

La tecnologia OLED funziona grazie a strati organici ultrasottili posizionati tra due elettrodi. Quando la corrente passa, elettroni e lacune si ricombinano nello strato attivo, eccitando le molecole organiche che rilasciano energia sotto forma di luce. Ogni pixel produce la propria illuminazione, quindi niente retroilluminazione separata. Questo significa neri profondi, colori vividi ed efficienza energetica eccellente, qualità fondamentali per dispositivi di realtà aumentata e virtuale.

Il problema è che ridurre le dimensioni di un pixel OLED non è come rimpicciolire una fotocopia. A scala nanometrica, la corrente elettrica non si distribuisce in modo uniforme. Come ha spiegato Pflaum, il fenomeno è simile a quello di un parafulmine: riducendo le dimensioni della struttura convenzionale, la corrente tende a concentrarsi negli angoli dell’antenna. L’antenna in oro usata nel dispositivo ha la forma di un cuboide da 300 per 300 per 50 nanometri. I campi elettrici risultanti generano forze talmente intense che gli atomi d’oro cominciano a muoversi, formando delle escrescenze filamentose che si insinuano nel materiale otticamente attivo fino a provocare un cortocircuito che distrugge il pixel. In pratica, ogni tentativo precedente di miniaturizzazione estrema finiva con il dispositivo che si autodistruggeva.

Lo strato isolante che ha risolto tutto

La soluzione trovata dal team di Würzburg è tanto elegante quanto efficace. I ricercatori hanno introdotto uno strato isolante progettato con estrema precisione sopra l’antenna ottica. Questo strato lascia aperta solo un’apertura circolare di 200 nanometri di diametro al centro, bloccando il flusso di corrente dai bordi e dagli angoli. In questo modo, la formazione dei filamenti viene impedita alla radice e il nano LED funziona in modo stabile e affidabile.

E non si tratta di stabilità da laboratorio per pochi secondi. Come ha sottolineato Hecht, già i primi nanopixel hanno resistito per due settimane in condizioni ambientali normali. Un risultato notevole per una tecnologia a questo stadio di sviluppo.

Il prossimo obiettivo del gruppo è portare l’efficienza oltre l’attuale livello dell’uno per cento ed estendere la gamma cromatica per coprire l’intero spettro RGB. Se questi traguardi verranno raggiunti, si aprirà la strada a una nuova generazione di display miniaturizzati capaci di sparire dentro montature di occhiali o, in prospettiva, persino dentro lenti a contatto. Gli smart glasses, quelli veri, quelli che non sembrano caschi da motociclista, potrebbero essere molto più vicini di quanto si pensi.

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