Il funzionamento della tecnologia moderna richiede un uso sempre maggiore di segnali di frequenza a banda larga. Questo, a sua volta, è cresciuta la richiesta di prodotti affidabili, metodi efficienti di trasmissione del segnale che prevengono le interferenze e sono più efficienti nell'uso dello spettro di frequenza scarsamente disponibile. Questi requisiti sono vincolati, però, per reciprocità, una legge fisica che obbliga la trasmissione della luce ad essere identica in direzioni opposte.

Nei decenni passati, scienziati e ingegneri hanno affrontato queste sfide con la creazione di isolatori:dispositivi che utilizzano un campo magnetico esterno per forzare le onde luminose a viaggiare in un'unica direzione. Ma questa forma di isolamento delle onde è costosa, e richiede l'uso di grandi, magneti pesanti che richiedono molto spazio sul dispositivo. Un ulteriore svantaggio è che non possono essere integrati in circuiti e sistemi a base di silicio.

Nell'articolo di copertina pubblicato nell'odierna Elettronica della natura , i ricercatori dell'Advanced Science Research Center (ASRC) del Graduate Center della City University of New York (CUNY) e dell'Università del Texas ad Austin descrivono in dettaglio lo sviluppo di un nuovo metodo di isolamento delle onde luminose che potrebbe superare queste sfide. L'approccio innovativo non richiede magneti o qualsiasi altra forma di "bias esterno" per una trasmissione affidabile dell'onda, tuttavia garantisce un isolamento ad ampia larghezza di banda altamente efficiente.

"Da qualche anno lavoriamo per superare la reciprocità senza calamite, " disse Andrea Alù, direttore dell'iniziativa Photonics dell'ASRC e professore di fisica di Einstein presso il Graduate Center. "In passato abbiamo esplorato l'utilizzo di dispositivi con elementi in movimento o che cambiano il tempo, ma questi approcci pongono altre sfide tecnologiche. In questo documento, mostriamo che un dispositivo non magnetico privo di una fonte di alimentazione esterna, grazie a non linearità opportunamente adattate, può rompere drasticamente la simmetria di trasmissione e realizzare un efficiente isolamento della banda larga".

Nella loro carta, i ricercatori spiegano perché i precedenti tentativi di utilizzare le non linearità per indurre l'isolamento hanno avuto scarse prestazioni. Alù e il suo team dimostrano che qualsiasi sistema basato su un singolo risonatore non lineare per isolare le onde è intrinsecamente limitato da un compromesso di qualità tra livello di isolamento, larghezza di banda, e perdita di inserzione, rendendo qualsiasi dispositivo di questo tipo poco performante e poco pratico. Nei loro esperimenti più recenti, il team è stato in grado di superare e affrontare questo problema utilizzando due risonatori non lineari progettati con giudizio collegati tramite una linea di ritardo, mostrando che questa è la configurazione minima per consentire la trasmissione unidirezionale a bassa perdita su un'ampia larghezza di banda. I componenti combinati, che sono stati stampati su un circuito, formato un altamente efficace, isolatore completamente passivo che fornisce un'eccellente integrità del segnale.

"La nostra svolta è stata realizzare che le scarse prestazioni di tutti i tentativi passati di costruire isolatori non lineari risiedevano in una limitazione derivante dalla simmetria di inversione del tempo, e che dobbiamo trovare un modo per aggirare questa sfida, " disse Dimitrios Sounas, autore principale dello studio e ricercatore presso l'Università del Texas. "Sorprendentemente, quando due risonatori non lineari sono accuratamente progettati e accoppiati insieme, si può ottenere il meglio di entrambi i mondi:trasmissione completa e isolamento infinito."

Il team prevede che i risultati possano trovare impiego in una varietà di tecnologie, compresa l'elettronica di consumo, laser chirurgici, sistemi radar e lidar automobilistici e circuiti e sistemi nanofotonici. La fase successiva della ricerca indagherà una varietà di approcci per mettere a punto la funzionalità dell'isolatore, inclusa la potenziale aggiunta di ulteriori tipi di risonatori non lineari per realizzare circolatori e altri dispositivi multiporta.