I ricercatori dell'Illinois hanno dimostrato che le onde sonore possono essere utilizzate per produrre diodi ottici ultraminiaturizzati abbastanza piccoli da poter essere inseriti in un chip di computer. Questi dispositivi, chiamati isolatori ottici, può aiutare a risolvere le principali sfide relative alla capacità di dati e alle dimensioni del sistema per i circuiti integrati fotonici, l'equivalente a base di luce dei circuiti elettronici, che vengono utilizzati per l'informatica e le comunicazioni.

Gli isolatori sono dispositivi non reciproci o "unidirezionali" simili ai diodi elettronici. Proteggono le sorgenti laser dai riflessi posteriori e sono necessarie per instradare i segnali luminosi intorno alle reti ottiche. Oggi, la tecnologia dominante per la produzione di tali dispositivi non reciproci richiede materiali che cambiano le loro proprietà ottiche in risposta ai campi magnetici, hanno detto i ricercatori.

"Ci sono diversi problemi con l'utilizzo di materiali magneticamente sensibili per ottenere il flusso di luce unidirezionale in un chip fotonico, ", ha affermato il professore di scienze meccaniche e ingegneria e coautore dello studio Gaurav Bahl. "In primo luogo, l'industria semplicemente non ha una buona capacità di posizionare magneti compatti su un chip. Ma soprattutto, i materiali necessari non sono ancora disponibili nelle fonderie di fotonica. Ecco perché l'industria ha un disperato bisogno di un approccio migliore che utilizzi solo materiali convenzionali ed eviti del tutto i campi magnetici".

In uno studio pubblicato sulla rivista Fotonica della natura , i ricercatori spiegano come usano il minuscolo accoppiamento tra luce e suono per fornire una soluzione unica che consente dispositivi non reciproci con quasi tutti i materiali fotonici.

Però, la dimensione fisica del dispositivo e la disponibilità dei materiali non sono gli unici problemi con l'attuale stato dell'arte, hanno detto i ricercatori.

"I tentativi di laboratorio di produrre isolatori ottici magnetici compatti sono sempre stati afflitti da grandi perdite ottiche, " ha affermato il dottorando e autore principale Benjamin Sohn. "L'industria della fotonica non può permettersi questa perdita legata al materiale e ha anche bisogno di una soluzione che fornisca una larghezza di banda sufficiente per essere paragonabile alla tecnica magnetica tradizionale. Fino ad ora, non c'è stato un approccio senza magnete che sia competitivo."

Il nuovo dispositivo ha una dimensione di soli 200 x 100 micron - circa 10, 000 volte più piccolo di un centimetro quadrato - e realizzato in nitruro di alluminio, un materiale trasparente che trasmette la luce ed è compatibile con le fonderie fotoniche. "Le onde sonore sono prodotte in modo simile a un altoparlante piezoelettrico, utilizzando minuscoli elettrodi scritti direttamente sul nitruro di alluminio con un fascio di elettroni. Sono queste onde sonore che obbligano la luce all'interno del dispositivo a viaggiare solo in una direzione. Questa è la prima volta che un isolatore senza magnete ha superato la larghezza di banda gigahertz, " ha detto Sohn.

I ricercatori stanno cercando modi per aumentare la larghezza di banda o la capacità dei dati di questi isolatori e sono fiduciosi di poter superare questo ostacolo. Una volta perfezionato, prevedono applicazioni trasformative nei sistemi di comunicazione fotonica, giroscopi, sistemi GPS, cronometraggio atomico e data center.

"I data center gestiscono enormi quantità di traffico dati Internet e consumano grandi quantità di energia per il networking e per mantenere freschi i server, " ha detto Bahl. "La comunicazione basata sulla luce è desiderabile perché produce molto meno calore, il che significa che è possibile spendere molta meno energia per il raffreddamento del server trasmettendo molti più dati al secondo."

Oltre al potenziale tecnologico, i ricercatori non possono fare a meno di essere ipnotizzati dalla scienza fondamentale dietro questo progresso.

"Nella vita di tutti i giorni, non vediamo le interazioni della luce con il suono, "Bahl ha detto. "La luce può passare attraverso una lastra di vetro trasparente senza fare nulla di strano. Il nostro campo di ricerca ha scoperto che la luce e il suono fanno, infatti, interagire in modo molto sottile. Se applichi i giusti principi di ingegneria, puoi scuotere un materiale trasparente nel modo giusto per migliorare questi effetti e risolvere questa grande sfida scientifica. Sembra quasi magico."