Una rappresentazione ravvicinata della nuova antenna WiFi ottica senza fibra. I nanocubi d'argento sono distanziati di pochi nanometri sopra una base d'argento, con coloranti fluorescenti inseriti nel mezzo. La spaziatura fisica e le dimensioni dei nanocubi rispetto alla base migliorano notevolmente le proprietà fotoniche del colorante fluorescente. Credito:Andrea Traverso, Duke University
La luce visibile e infrarossa può trasportare più dati delle onde radio, ma è sempre stato limitato a un cablaggio fisso, cavo in fibra ottica. Lavorando con il Connectivity Lab di Facebook, un team di ricerca Duke ha ora fatto un grande passo avanti verso il sogno di abbandonare la fibra in fibra ottica.
Mentre lavorava per creare un sistema di comunicazione ottica nello spazio libero per Internet wireless ad alta velocità, i ricercatori mostrano anche che le proprietà di velocità ed efficienza precedentemente dimostrate su piccoli, antenne plasmoniche a unità singola possono essere realizzate anche su dispositivi su scala centimetrica.
La ricerca appare online l'11 febbraio sulla rivista ottica .
Nel 2016, i ricercatori del Connectivity Lab di Internet.org, una sussidiaria di Facebook, hanno delineato un nuovo tipo di rilevatore di luce che potrebbe essere potenzialmente utilizzato per la comunicazione ottica nello spazio libero. Tradizionalmente, le connessioni in fibra ottica cablate possono essere molto più veloci delle connessioni wireless a onde radio. Questo perché le frequenze della luce visibile e del vicino infrarosso possono trasportare molte più informazioni rispetto alle onde radio (WiFi, Bluetooth, eccetera).
Ma l'utilizzo di queste frequenze più elevate nei dispositivi wireless è difficile. Le attuali configurazioni utilizzano LED o laser mirati a rilevatori che possono riorientarsi per ottimizzare la connessione. sarebbe molto più efficiente però, se un rivelatore potesse catturare la luce da diverse direzioni contemporaneamente. Il problema è che aumentare le dimensioni di un ricevitore ottico lo rende anche più lento.
Questo è stato anche il caso del design del Connectivity Lab. Un fascio sferico di fibre fluorescenti catturava la luce laser blu da qualsiasi direzione e riemetteva luce verde che poteva essere incanalata su un piccolo ricevitore. Mentre il prototipo è stato in grado di raggiungere velocità di due gigabit al secondo, la maggior parte dei provider Internet in fibra ottica offre fino a 10 Gb, e i sistemi di fascia più alta possono spingersi a migliaia.
Alla ricerca di un modo per accelerare i progetti di comunicazione ottica nello spazio libero, il Connectivity Lab si è rivolto a Maiken Mikkelsen, James N. e Elizabeth H. Barton Professore Associato di Ingegneria Elettrica e Informatica e Fisica alla Duke. Nell'ultimo decennio, Mikkelsen è stato uno dei principali ricercatori nel campo della plasmonica, che intrappola la luce sulla superficie di minuscoli nanocubi per aumentare di oltre mille volte la velocità e l'efficienza di un dispositivo nel trasmettere e assorbire la luce.
Nanocubi d'argento sparsi su tutta la superficie del nuovo dispositivo. Considerando che la ricerca precedente ha riportato su singoli cubi che mostrano proprietà migliorate, il nuovo lavoro ha mostrato che questi miglioramenti di efficienza possono essere raggiunti su scala macroscopica. Credito:Andrea Traverso, Duke University
"Il prototipo del Connectivity Lab era vincolato dalla durata delle emissioni del colorante fluorescente che stavano usando, rendendolo inefficiente e lento, " ha detto Mikkelsen. "Volevano aumentare l'efficienza e si sono imbattuti nel mio lavoro che mostra tempi di risposta ultraveloci nei sistemi fluorescenti. La mia ricerca aveva solo dimostrato che questi tassi di efficienza erano possibili su singoli, sistemi su scala nanometrica, quindi non sapevamo se potesse scalare fino a un rilevatore di dimensioni centimetriche".
Tutti i lavori precedenti, Mikkelsen spiega, sono state dimostrazioni di principio con una singola antenna. Questi sistemi in genere coinvolgono nanocubi metallici distanziati da decine a centinaia di nanometri e posizionati solo una manciata di nanometri sopra una pellicola di metallo. Mentre un esperimento potrebbe utilizzare decine di migliaia di nanocubi su una vasta area, la ricerca che mostra il suo potenziale per le proprietà superveloci ha storicamente selezionato un solo cubo per la misurazione.
I ricercatori hanno creato una nuova metasuperficie plasmonica che racchiude molecole di colorante fluorescente tra una pellicola d'oro e cubi d'argento larghi 100 nanometri. Quando la luce colpisce questa struttura, eccita i plasmoni di superficie localizzati, che fa sì che le molecole di colorante emettano luce molto rapidamente dopo essere state eccitate dalla luce in arrivo. Uno schema della metasuperficie è mostrato in (a), e un'immagine al microscopio elettronico a scansione di un campione di 12 millimetri è mostrata in (b). Credito:Maiken H. Mikkelsen, Duke University
Nel nuovo giornale, Mikkelsen e Andrew Traverso, una ricercatrice post-dottorato che lavora nel suo laboratorio, ha portato un design più mirato e ottimizzato a un dispositivo plasmonico di grandi dimensioni. I nanocubi d'argento larghi appena 60 nanometri sono distanziati di circa 200 nanometri l'uno dall'altro, coprendo il 17% della superficie del dispositivo. Questi nanocubi si trovano a soli sette nanometri sopra un sottile strato di argento, intervallati da un rivestimento di polimero che è pieno zeppo di quattro strati di colorante fluorescente.
I nanocubi interagiscono con la base d'argento in un modo che migliora le capacità fotoniche del colorante fluorescente, causando un aumento di 910 volte della fluorescenza complessiva e un aumento del tasso di emissione di 133 volte. L'antenna superveloce può anche catturare la luce da un campo visivo di 120 gradi e convertirla in una sorgente direzionale con un'efficienza complessiva record del 30%.
"Si sa da sempre che gli effetti plasmonici perdono molta efficienza su una vasta area, " ha detto Traverso. "Ma abbiamo dimostrato che è possibile prendere interessanti caratteristiche di emissione ultraveloce di un dispositivo su scala nanometrica e ricrearlo su scala macroscopica. E il nostro metodo è molto facilmente trasferibile alle strutture di fabbricazione. Possiamo creare queste metasuperfici plasmoniche su larga scala in meno di un'ora con pipette e piastre Petri, solo semplici deposizioni liquide su pellicole metalliche."
L'effetto complessivo della dimostrazione è la capacità di catturare la luce da un ampio campo visivo e incanalarla in un cono stretto senza perdere velocità. Per andare avanti con questa tecnologia, i ricercatori avrebbero bisogno di mettere insieme diversi dispositivi plasmonici per coprire un campo visivo a 360 gradi e includere ancora una volta un rilevatore interno separato. Mentre c'è del lavoro da fare, i ricercatori vedono un percorso percorribile in avanti.
"In questa manifestazione, la nostra struttura agisce per trasmettere in modo efficiente i fotoni da un angolo ampio a uno stretto senza perdere velocità, " ha detto Mikkelsen. "Non abbiamo ancora integrato un normale fotorivelatore veloce come il Connectivity Lab ha fatto nel loro documento originale. Ma abbiamo risolto il principale collo di bottiglia nella progettazione e le applicazioni future sono davvero entusiasmanti!"
