I giroscopi sono dispositivi che aiutano i veicoli, droni, e i dispositivi elettronici indossabili e portatili conoscono il loro orientamento nello spazio tridimensionale. Sono all'ordine del giorno in quasi ogni parte della tecnologia su cui ci affidiamo ogni giorno. Originariamente, i giroscopi erano insiemi di ruote nidificate, ognuno ruota su un asse diverso. Ma apri un cellulare oggi, e troverai un sensore microelettromeccanico (MEMS), l'equivalente moderno, che misura le variazioni delle forze agenti su due masse identiche che oscillano e si muovono in direzioni opposte. Questi giroscopi MEMS sono limitati nella loro sensibilità, così i giroscopi ottici sono stati sviluppati per svolgere la stessa funzione ma senza parti in movimento e un maggior grado di precisione utilizzando un fenomeno chiamato effetto Sagnac.

L'effetto Sagnac, prende il nome dal fisico francese Georges Sagnac, è un fenomeno ottico radicato nella teoria della relatività speciale di Einstein. Per crearlo, un raggio di luce si divide in due, e le travi gemelle viaggiano in direzioni opposte lungo un percorso circolare, poi si incontrano allo stesso rilevatore di luce. La luce viaggia a velocità costante, quindi ruotando il dispositivo, e con esso il percorso percorso dalla luce, uno dei due raggi arriva al rivelatore prima dell'altro. Con un anello su ciascun asse di orientamento, questo passaggio di fase, noto come effetto Sagnac, può essere utilizzato per calcolare l'orientamento.

I più piccoli giroscopi ottici ad alte prestazioni oggi disponibili sono più grandi di una pallina da golf e non sono adatti a molte applicazioni portatili. Poiché i giroscopi ottici sono costruiti sempre più piccoli, così è anche il segnale che cattura l'effetto Sagnac, il che rende sempre più difficile per il giroscopio rilevare il movimento. Fino ad ora, ciò ha impedito la miniaturizzazione dei giroscopi ottici.

Ingegneri Caltech guidati da Ali Hajimiri, Bren Professore di Ingegneria Elettrica e Ingegneria Medica nella Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate, ha sviluppato un nuovo giroscopio ottico che è 500 volte più piccolo dell'attuale dispositivo all'avanguardia, tuttavia possono rilevare sfasamenti 30 volte più piccoli di quei sistemi. Il nuovo dispositivo è descritto in un articolo pubblicato nel numero di novembre di Fotonica della natura .

Come funziona

Il nuovo giroscopio del laboratorio di Hajimiri raggiunge queste prestazioni migliorate utilizzando una nuova tecnica chiamata "miglioramento della sensibilità reciproca". In questo caso, "reciproco" significa che influenza allo stesso modo entrambi i fasci di luce all'interno del giroscopio. Poiché l'effetto Sagnac si basa sul rilevamento di una differenza tra i due raggi mentre viaggiano in direzioni opposte, è considerato non reciproco. All'interno del giroscopio, la luce viaggia attraverso guide d'onda ottiche miniaturizzate (piccoli condotti che trasportano la luce, che svolgono la stessa funzione dei cavi per l'elettricità). Imperfezioni nel percorso ottico che potrebbero influenzare i raggi (ad esempio, fluttuazioni termiche o diffusione della luce) e qualsiasi interferenza esterna influenzerà entrambi i raggi in modo simile.

Il team di Hajimiri ha trovato un modo per eliminare questo rumore reciproco lasciando intatti i segnali dell'effetto Sagnac. Il miglioramento della sensibilità reciproca migliora quindi il rapporto segnale-rumore nel sistema e consente l'integrazione del giroscopio ottico su un chip più piccolo di un chicco di riso.

Il documento è intitolato "Giroscopio ottico nanofotonico con miglioramento della sensibilità reciproca".