All'EPFL, i ricercatori sfidano una legge fondamentale e scoprono che nei sistemi di guida delle onde può essere immagazzinata più energia elettromagnetica di quanto si pensasse in precedenza. La scoperta ha implicazioni nelle telecomunicazioni. Lavorando intorno alla legge fondamentale, hanno concepito sistemi risonanti e di guida d'onda in grado di immagazzinare energia per un periodo prolungato mantenendo un'ampia larghezza di banda. Il loro trucco consisteva nel creare sistemi risonanti o guida d'onda asimmetrici utilizzando campi magnetici.

Lo studio, che è appena stato pubblicato in Scienza , era guidato da Kosmas Tsakmakidis, prima all'Università di Ottawa e poi al Bionanophotonic Systems Laboratory dell'EPFL gestito da Hatice Altug, dove il ricercatore sta ora facendo ricerca post-dottorato.

Questa svolta potrebbe avere un impatto importante su molti campi dell'ingegneria e della fisica. Il numero di potenziali applicazioni è vicino all'infinito, con le telecomunicazioni, sistemi di rilevamento ottico e raccolta di energia a banda larga che rappresentano solo alcuni esempi.

Mettendo da parte la reciprocità

I sistemi risonanti e di guida d'onda sono presenti nella stragrande maggioranza dei sistemi ottici ed elettronici. Il loro ruolo è quello di immagazzinare temporaneamente energia sotto forma di onde elettromagnetiche per poi rilasciarle. Per più di 100 secoli, questi sistemi erano frenati da una limitazione ritenuta fondamentale:il tempo di immagazzinamento di un'onda era inversamente proporzionale alla sua larghezza di banda. Questa relazione è stata interpretata nel senso che era impossibile archiviare grandi quantità di dati in sistemi risonanti o guida d'onda per un lungo periodo di tempo perché aumentare la larghezza di banda significava ridurre il tempo di archiviazione e la qualità dell'archiviazione.

Questa legge è stata formulata per la prima volta da K.S. Johnson nel 1914, presso Western Electric Company (il precursore dei Bell Telephone Laboratories). Introdusse il concetto di fattore Q, secondo il quale un risonatore può immagazzinare energia per lungo tempo o avere un'ampia larghezza di banda, ma non entrambi contemporaneamente. Aumentare il tempo di archiviazione significava diminuire la larghezza di banda, e viceversa. Una larghezza di banda ridotta significa una gamma limitata di frequenze (o "colori") e quindi una quantità limitata di dati.

Fino ad ora, questo concetto non era mai stato messo in discussione. I fisici e gli ingegneri hanno sempre costruito sistemi risonanti, come quelli per produrre laser, realizzare circuiti elettronici e condurre diagnosi mediche, tenendo presente questo vincolo.

Ma questa limitazione è ormai una cosa del passato. I ricercatori hanno ideato un sistema ibrido risonante/guida d'onda realizzato con un materiale magneto-ottico che, quando viene applicato un campo magnetico, è in grado di fermare l'onda e conservarla per un periodo prolungato, accumulando così grandi quantità di energia. Quindi quando il campo magnetico è spento, l'impulso intrappolato viene rilasciato.

Con tali sistemi asimmetrici e non reciproci, è stato possibile memorizzare un'onda per un periodo di tempo molto lungo pur mantenendo un'ampia larghezza di banda. Il limite convenzionale di larghezza di banda è stato addirittura superato di un fattore 1, 000. Gli scienziati hanno inoltre dimostrato che, teoricamente, non esiste alcun limite superiore a questo limite in questi sistemi asimmetrici (non reciproci).

"È stato un momento di rivelazione quando abbiamo scoperto che queste nuove strutture non presentavano alcuna restrizione di larghezza di banda temporale. Questi sistemi sono diversi da quelli a cui siamo tutti abituati da decenni, e forse centinaia di anni", dice Tsakmakidis, l'autore principale dello studio. "La loro superiore capacità di memorizzazione delle onde potrebbe davvero essere un fattore abilitante per una gamma di interessanti applicazioni in diversi campi di ricerca contemporanei e più tradizionali". Hatice Altug aggiunge.

Medicinale, l'ambiente e le telecomunicazioni

Una possibile applicazione è nella progettazione di buffer completamente ottici estremamente veloci ed efficienti nelle reti di telecomunicazioni. Il ruolo dei buffer è quello di memorizzare temporaneamente i dati che arrivano sotto forma di luce attraverso le fibre ottiche. Rallentando la massa di dati, è più facile da elaborare. Fino ad ora, la qualità dell'archiviazione era stata limitata.+

Con questa nuova tecnica, dovrebbe essere possibile migliorare il processo e memorizzare ampie larghezze di banda di dati per tempi prolungati. Altre potenziali applicazioni includono la spettroscopia su chip, raccolta della luce a banda larga e stoccaggio di energia, e mimetizzazione ottica a banda larga ("mantello dell'invisibilità"). "La scoperta riportata è assolutamente fondamentale:stiamo offrendo ai ricercatori un nuovo strumento. E il numero di applicazioni è limitato solo dalla propria immaginazione, " riassume Tsakmakidis.