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    Luce non legata:i limiti dei dati potrebbero svanire con le nuove antenne ottiche

    Ricercatori dell'Università della California, Berkeley, hanno trovato un nuovo modo per sfruttare le proprietà delle onde luminose che possono aumentare radicalmente la quantità di dati che trasportano. Hanno dimostrato l'emissione di raggi laser discreti a torsione da antenne costituite da anelli concentrici approssimativamente uguali al diametro di un capello umano, abbastanza piccolo da essere posizionato sui chip del computer. Credito:Boubacar Kanté

    Ricercatori dell'Università della California, Berkeley, hanno trovato un nuovo modo per sfruttare le proprietà delle onde luminose che possono aumentare radicalmente la quantità di dati che trasportano. Hanno dimostrato l'emissione di raggi laser discreti a torsione da antenne costituite da anelli concentrici approssimativamente uguali al diametro di un capello umano, abbastanza piccolo da essere posizionato sui chip del computer.

    Il nuovo lavoro, riportato in un articolo pubblicato giovedì, 25 febbraio nel diario Fisica della natura , spalanca la quantità di informazioni che possono essere multiplexate, o trasmessi simultaneamente, da una sorgente luminosa coerente. Un esempio comune di multiplexing è la trasmissione di più chiamate telefoniche su un unico filo, ma c'erano dei limiti fondamentali al numero di onde luminose contorte coerenti che potevano essere direttamente multiplexate.

    "È la prima volta che i laser che producono luce contorta sono stati direttamente multiplexati, " ha detto il ricercatore principale dello studio Boubacar Kanté, il Chenming Hu Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della UC Berkeley. "Abbiamo sperimentato un'esplosione di dati nel nostro mondo, e i canali di comunicazione che abbiamo ora saranno presto insufficienti per ciò di cui abbiamo bisogno. La tecnologia che stiamo segnalando supera gli attuali limiti di capacità dei dati attraverso una caratteristica della luce chiamata momento angolare orbitale. È un punto di svolta con applicazioni nell'imaging biologico, crittografia quantistica, comunicazioni e sensori ad alta capacità."

    Kanté, che è anche uno scienziato della facoltà nella Divisione di scienze dei materiali presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ha continuato questo lavoro all'UC Berkeley dopo aver iniziato la ricerca all'UC San Diego. Il primo autore dello studio è Babak Bahari, un ex dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Kanté.

    Kanté ha affermato che gli attuali metodi di trasmissione dei segnali attraverso le onde elettromagnetiche stanno raggiungendo il limite. Frequenza, Per esempio, si è saturato, ecco perché ci sono solo così tante stazioni su cui è possibile sintonizzarsi alla radio. Polarizzazione, dove le onde luminose sono separate in due valori, orizzontale o verticale, possono raddoppiare la quantità di informazioni trasmesse. I registi ne approfittano durante la creazione di filmati 3D, consentendo agli spettatori con occhiali speciali di ricevere due serie di segnali, uno per ciascun occhio, per creare un effetto stereoscopico e l'illusione della profondità.

    Sfruttare il potenziale in un vortice

    Ma oltre la frequenza e la polarizzazione c'è il momento angolare orbitale, o OAM, una proprietà della luce che ha attirato l'attenzione degli scienziati perché offre una capacità di trasmissione dati esponenzialmente maggiore. Un modo per pensare a OAM è confrontarlo con il vortice di un tornado.

    "Il vortice di luce, con i suoi infiniti gradi di libertà, Potere, in linea di principio, supportare una quantità illimitata di dati, " ha detto Kanté. "La sfida è stata trovare un modo per produrre in modo affidabile il numero infinito di raggi OAM. Nessuno ha mai prodotto raggi OAM con cariche così elevate in un dispositivo così compatto prima d'ora."

    I ricercatori hanno iniziato con un'antenna, uno dei componenti più importanti dell'elettromagnetismo e, hanno notato, fondamentale per le tecnologie 5G in corso e per le future tecnologie 6G. Le antenne in questo studio sono topologiche, il che significa che le loro proprietà essenziali vengono mantenute anche quando il dispositivo viene attorcigliato o piegato.

    Creare anelli di luce

    Per realizzare l'antenna topologica, i ricercatori hanno utilizzato la litografia a fascio di elettroni per incidere un motivo a griglia sul fosfuro di arseniuro di indio gallio, un materiale semiconduttore, e poi ha incollato la struttura su una superficie fatta di granato di ferro ittrio. I ricercatori hanno progettato la griglia per formare pozzi quantici in uno schema di tre cerchi concentrici, il più grande di circa 50 micron di diametro, per intrappolare i fotoni. Il progetto ha creato le condizioni per supportare un fenomeno noto come effetto Hall quantistico fotonico, che descrive il movimento dei fotoni quando viene applicato un campo magnetico, costringendo la luce a viaggiare in una sola direzione negli anelli.

    "La gente pensava che l'effetto Hall quantistico con un campo magnetico potesse essere utilizzato nell'elettronica ma non nell'ottica a causa del debole magnetismo dei materiali esistenti alle frequenze ottiche, " ha detto Kanté. "Siamo i primi a dimostrare che l'effetto Hall quantistico funziona per la luce".

    Applicando un campo magnetico perpendicolare alla loro microstruttura bidimensionale, i ricercatori hanno generato con successo tre raggi laser OAM che viaggiano in orbite circolari sopra la superficie. Lo studio ha inoltre dimostrato che i raggi laser avevano numeri quantici pari a 276, riferito al numero di volte in cui la luce si attorciglia attorno al proprio asse in una lunghezza d'onda.

    "Avere un numero quantico più grande è come avere più lettere da usare nell'alfabeto, " ha detto Kanté. "Stiamo permettendo alla luce di espandere il suo vocabolario. Nel nostro studio, abbiamo dimostrato questa capacità alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, ma in linea di principio può essere adattato ad altre bande di frequenza. Anche se abbiamo creato tre laser, moltiplicando la velocità dati per tre, non c'è limite al numero possibile di raggi e alla capacità di dati."

    Kanté ha detto che il prossimo passo nel suo laboratorio è quello di realizzare anelli quantistici di Hall che utilizzino l'elettricità come fonte di energia.


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