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    Cablato per il suono:emerge una terza onda nei circuiti integrati

    Illustrazione concettuale di un circuito integrato che incorpora dispositivi di diffusione Brillouin stimolati. Credito: Fotonica della natura

    Le fibre ottiche sono il nostro sistema nervoso globale, trasportando terabyte di dati in tutto il pianeta in un batter d'occhio.

    Poiché queste informazioni viaggiano alla velocità della luce in tutto il mondo, l'energia delle onde luminose che rimbalzano all'interno della silice e delle fibre polimeriche creano minuscole vibrazioni che portano a pacchetti di feedback di onde sonore o acustiche, noti come "fononi".

    Questo feedback fa sì che la luce si disperda, un fenomeno noto come "scattering Brillouin".

    Per la maggior parte del settore dell'elettronica e delle comunicazioni, questa dispersione di luce è una seccatura, riducendo la potenza del segnale. Ma per un gruppo emergente di scienziati questo processo di feedback viene adattato per sviluppare una nuova generazione di circuiti integrati che promettono di rivoluzionare le nostre reti 5G e a banda larga, sensori, comunicazione satellitare, sistemi radar, sistemi di difesa e persino radioastronomia.

    "Non è esagerato dire che è in corso una rinascita della ricerca in questo processo, " ha detto il professor Ben Eggleton, Direttore del Nano Institute dell'Università di Sydney e coautore di un articolo di revisione pubblicato oggi in Fotonica della natura .

    "L'applicazione di questa interazione tra luce e suono su un chip offre l'opportunità di una rivoluzione della terza onda nei circuiti integrati".

    Le scoperte della microelettronica dopo la seconda guerra mondiale hanno rappresentato la prima ondata di circuiti integrati, che ha portato all'ubiquità dei dispositivi elettronici che si basano su chip di silicio, come il telefono cellulare. La seconda ondata è arrivata all'inizio di questo secolo con lo sviluppo di sistemi di elettronica ottica che sono diventati la spina dorsale di enormi data center in tutto il mondo.

    Prima l'elettricità poi la luce. E ora la terza onda è con le onde sonore.

    Il professor Eggleton è un ricercatore leader a livello mondiale che studia come applicare questa interazione fotone-fonone per risolvere i problemi del mondo reale. Il suo team di ricerca con sede presso il Sydney Nanoscience Hub e la School of Physics ha prodotto più di 70 articoli sull'argomento.

    Lavorando con altri leader globali del settore, oggi ha pubblicato un articolo di recensione in Fotonica della natura delineando la storia e il potenziale di ciò che gli scienziati chiamano "fotonica integrata Brillouin". I suoi coautori sono il professor Christopher Poulton alla University of Technology di Sydney; il professor Peter Rakich dell'Università di Yale; il professor Michael Steel alla Macquarie University; e il professor Gaurav Bahl dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.

    Il professor Bahl ha dichiarato:"Questo documento delinea la ricca fisica che emerge da un'interazione così fondamentale come quella tra luce e suono, che si trova in tutti gli stati della materia.

    "Non solo vediamo immense applicazioni tecnologiche, ma anche la ricchezza di pure indagini scientifiche che si rendono possibili. La diffusione della luce Brillouin ci aiuta a misurare le proprietà dei materiali, trasformare il modo in cui luce e suono si muovono attraverso i materiali, raffreddare piccoli oggetti, misurare lo spazio, tempo e inerzia, e persino trasportare informazioni ottiche."

    Il professor Poulton ha dichiarato:"Il grande progresso qui è nel controllo simultaneo delle onde luminose e sonore su scale davvero piccole.

    "Questo tipo di controllo è incredibilmente difficile, anche perché i due tipi di onde hanno velocità estremamente diverse. Gli enormi progressi nella fabbricazione e nella teoria delineati in questo articolo dimostrano che questo problema può essere risolto, e che le potenti interazioni tra luce e suono come la diffusione di Brillouin possono ora essere sfruttate su un singolo chip. Questo apre le porte a tutta una serie di applicazioni che collegano ottica ed elettronica."

    Il professor Steel ha dichiarato:"Uno degli aspetti affascinanti della tecnologia Brillouin integrata è che spazia dalle scoperte fondamentali nelle interazioni suono-luce a livello quantistico a dispositivi molto pratici, come i filtri flessibili nelle comunicazioni mobili."

    La dispersione della luce causata dalla sua interazione con i fononi acustici fu predetta dal fisico francese Leon Brillouin nel 1922.

    Informazioni di base

    Negli anni '60 e '70 è stato scoperto un processo interessante in cui è possibile creare un ciclo di feedback avanzato tra i fotoni (luce) e i fononi (suono). Questo è noto come diffusione di Brillouin stimolata (SBS).

    In questo processo SBS le onde luminose e sonore sono "accoppiate", un processo esaltato dal fatto che la lunghezza d'onda della luce e del suono sono simili, sebbene le loro velocità siano distanti molti ordini di grandezza:la luce viaggia 100, 000 volte più veloce del suono, il che spiega perché vedi i fulmini prima di sentire i tuoni.

    Ma perché vorresti aumentare la potenza di questo effetto di feedback Brillouin?

    "La gestione delle informazioni su un microchip può richiedere molta energia e produrre molto calore, "Ha detto il professor Eggleton.

    "Poiché la nostra dipendenza dai dati ottici è aumentata, il processo di interazione della luce con i sistemi di microelettronica è diventato problematico. Il processo SBS ci offre un modo completamente nuovo per integrare le informazioni ottiche in un ambiente di chip utilizzando le onde sonore come buffer per rallentare i dati senza il calore prodotto dai sistemi elettronici.

    "Ulteriore, i circuiti integrati che utilizzano SBS offrono l'opportunità di sostituire componenti nei sistemi di volo e di navigazione che possono essere 100 o 1000 volte più pesanti. Non sarà un risultato da poco".

    Ridurre la complessità

    Come contenere il processo di interazione luce-suono è stato il punto critico, ma come sottolineano il professor Eggleton e colleghi in Fotonica della natura oggi, l'ultimo decennio ha visto enormi progressi.

    Nel 2017, i ricercatori Dr. Birgit Stiller e Moritz Merklein dell'Eggleton Group dell'Università di Sydney hanno annunciato il primo trasferimento al mondo di informazioni dalla luce all'acustica su un chip. Per sottolineare la differenza tra le velocità della luce e del suono, questo è stato descritto come "immagazzinare un fulmine nel tuono".

    Il Dr. Amol Choudhary ha ulteriormente sviluppato questo lavoro nel 2018, sviluppando una tecnica di recupero delle informazioni basata su chip che eliminasse la necessità di sistemi di elaborazione ingombranti.

    "Si tratta di ridurre la complessità di questi sistemi in modo da poter sviluppare un quadro concettuale generale per un sistema integrato completo, "Ha detto il professor Eggleton.

    C'è un crescente interesse da parte dell'industria e del governo per l'implementazione di questi sistemi.

    Sydney Nano ha recentemente firmato una partnership con la Royal Australian Air Force per lavorare con il suo programma Plan Jericho per rivoluzionare la capacità di rilevamento della RAAF. Anche aziende come Lockheed Martin e Harris Corporation stanno lavorando con Eggleton Group.

    Le sfide future

    Ci sono barriere da superare prima che questo sistema integrato su scala di chip possa essere distribuito commercialmente, ma il guadagno in termini di dimensioni, peso e potenza (SWAP) varranno la pena, ha detto il professor Eggleton.

    La prima sfida è sviluppare un'architettura che integri processori a microonde ea radiofrequenza con interazioni ottico-acustiche. Come mostrano i risultati del gruppo Eggleton, ci sono stati grandi passi avanti per raggiungere questo obiettivo.

    Un'altra sfida è rappresentata dalla riduzione del "rumore" (o dell'interferenza) nel sistema causato dalla dispersione della luce indesiderata che deteriora il rapporto segnale-rumore. Una proposta è quella di avere chip che funzionano a temperature criogeniche vicine allo zero assoluto. Sebbene ciò avrebbe significative implicazioni pratiche, potrebbe anche mettere in gioco processi quantistici, fornendo un maggiore controllo dell'interazione fotone-fonone.

    C'è anche un'indagine dal vivo sui materiali più appropriati su cui costruire questi sistemi integrati. Il silicio ha le sue ovvie attrattive dato che la maggior parte della microelettronica è costruita utilizzando questo economico, materiale abbondante.

    Però, la silice utilizzata nelle fibre ottiche accoppiata al substrato di silicio fa sì che l'informazione possa fuoriuscire data la somiglianza dei materiali.

    Trovare materiali che siano abbastanza elastici e anelastici da contenere le onde luminose e sonore consentendo loro di interagire è una strada suggerita. Alcuni gruppi di ricerca usano il calcogenuro, un substrato di vetro morbido con un alto indice di rifrazione e bassa rigidità che può confinare le onde ottiche ed elastiche.

    Coautore della recensione, Professor Steel della Macquarie University, ha detto:"In questa fase, tutti i sistemi materiali hanno i loro punti di forza e di debolezza, e questa è ancora un'area di ricerca fruttuosa.

    Il professor Eggleton ha dichiarato:"Questo nuovo paradigma nell'elaborazione del segnale che utilizza onde luminose e onde sonore apre nuove opportunità per la ricerca fondamentale e i progressi tecnologici".

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