Le sorgenti che integrano due concetti di materiale ottico artificiale possono guidare comunicazioni "Li-Fi" ultraveloci.

In molte applicazioni, Le reti ottiche Li-Fi attraverso l'aria offrono potenzialmente importanti vantaggi rispetto al Wi-Fi e ad altri sistemi a radiofrequenza. Le reti Li-Fi possono funzionare a velocità estremamente elevate. Possono sfruttare uno spettro di frequenze estremamente ampio. Evitano i problemi di interferenza che affliggono i sistemi a radiofrequenza, che sono particolarmente problematici in ambienti ad alta sicurezza come le cabine di pilotaggio degli aerei e le centrali nucleari. Sono meno aperti agli hacker. E mentre la loro gamma è relativamente limitata, non hanno bisogno di collegamenti a vista per funzionare, disse Evgenii Narimanov, un professore di ingegneria elettrica e informatica della Purdue University.

Le reti Li-Fi di oggi non possono raggiungere pienamente tutti questi potenziali benefici perché mancano di sorgenti luminose adeguate, Egli ha detto.

Ma i progetti che integrano due concetti di materiale ottico in "ipercristalli fotonici" possono colmare questa lacuna.

Narimanov ha proposto per la prima volta questo concetto nel 2014. Questo mese, lui e i colleghi del City College di New York hanno riportato dimostrazioni di ipercristalli fotonici con tassi di emissione e intensità di luce notevolmente aumentati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

Gli ipercristalli fotonici combinano le proprietà dei metamateriali e dei cristalli fotonici, sia materiali ottici "artificiali" con proprietà che solitamente non si trovano in natura, disse Narimanov.

I metamateriali sono creati da blocchi di costruzione artificiali che sono molto più piccoli della lunghezza d'onda della luce, mentre nei cristalli fotonici la dimensione della "cella unitaria" è paragonabile a questa lunghezza d'onda. Sebbene questi due tipi di materiali compositi mostrino generalmente proprietà molto diverse, gli ipercristalli fotonici li combinano tutti all'interno della stessa struttura.

Gli ipercristalli fotonici si basano su un tipo chiamato metamateriali iperbolici, che può essere costruito con strati alternati di metallo e materiali dielettrici, dove la corrente elettrica può viaggiare solo lungo gli strati metallici.

"In genere, per la luce, metalli e dielettrici sono fondamentalmente diversi:la luce può viaggiare nei dielettrici, ma si riflette indietro dai metalli, " ha detto Narimanov. "Ma un metamateriale iperbolico si comporta come un metallo lungo gli strati e come un dielettrico nella direzione perpendicolare agli strati, allo stesso tempo. Per la luce, mezzo iperbolico è, perciò, il terzo stato di materia, completamente diverso dai soliti metalli e dielettrici."

Tra le proprietà interessanti che questa struttura produce, il metamateriale ospita un gran numero di stati fotonici, consentendo l'emissione di luce spontanea a velocità estremamente elevate.

"Per una fonte di luce, il problema è che questa luce nel metamateriale iperbolico non può uscire, " disse Narimanov.

Entra nei cristalli fotonici, nanostrutture periodiche in grado di manipolare l'interferenza ottica per ottimizzare la trasmissione della luce.

Negli ipercristalli fotonici integrati presentati nel documento PNAS, il metamateriale iperbolico è costituito da strati alternati di argento (il metallo) e ossido di alluminio (il dielettrico). Matrici esagonali di fori fresati negli strati creano il cristallo fotonico. Nel disegno, la luce visibile viene emessa da punti quantici (nanoparticelle semiconduttrici in grado di emettere luce) incorporati in uno degli strati che formano il metamateriale iperbolico.

Il risultato:livelli estremamente elevati di controllo e valorizzazione della luce emessa.

"Questi ipercristalli fotonici sono stati fabbricati presso l'Advanced Science Research Center della City University di New York utilizzando tecniche standard di nano e microfabbricazione come l'evaporazione del film sottile e la fresatura a fascio ionico focalizzato, " disse Tal Galfsky, uno studente laureato CCNY che è l'autore principale del documento PNAS. "Queste tecniche sono scalabili con le moderne capacità del settore".

Vinod Menon, Professore di fisica CCNY, è autore senior della carta, e anche lo studente laureato CCNY Jie Gu ha contribuito al lavoro.

Il lavoro riportato in PNAS dimostra che "a livello fondamentale, il problema della progettazione di ipercristalli fotonici è stato risolto, " disse Narimanov.

mette in guardia, però, che le sfide ingegneristiche significative devono essere superate prima che questi dispositivi possano essere commercializzati. Tra queste barriere, i dispositivi dimostrativi sono pompati otticamente da un laser, ma le versioni commerciali dovranno essere azionate elettricamente e incorporare semiconduttori o LED organici, Egli ha detto.

Man mano che maturano, gli ipercristalli fotonici possono anche ricoprire molti altri ruoli impegnativi nell'optoelettronica ultraveloce. Una delle vie di ricerca più promettenti, Narimanov ha suggerito, consiste nel creare versioni più efficienti delle pistole a singolo fotone impiegate nell'elaborazione delle informazioni quantistiche.