È noto da secoli che la luce in determinate situazioni assume un comportamento ondulatorio. Alcuni materiali sono in grado di ruotare la polarizzazione, cioè la direzione di oscillazione, dell'onda luminosa quando la luce attraversa il materiale. Questa proprietà viene utilizzata in un componente centrale delle reti di comunicazione ottica noto come "isolatore ottico" o "diodo ottico". Questo componente consente alla luce di propagarsi in una direzione ma blocca tutta la luce nell'altra direzione.
In uno studio recente, fisici tedeschi e indiani hanno dimostrato che materiali bidimensionali ultrasottili come il diseleniuro di tungsteno possono ruotare la polarizzazione della luce visibile di diversi gradi a determinate lunghezze d'onda sotto piccoli campi magnetici adatti all'uso sui chip. Gli scienziati dell'Università di Münster, in Germania, e dell'Indian Institute of Science Education and Research (IISER) di Pune, in India, hanno pubblicato le loro scoperte sulla rivista Nature Communications.
Uno dei problemi con gli isolatori ottici convenzionali è che sono piuttosto grandi, con dimensioni che vanno da diversi millimetri a diversi centimetri. Di conseguenza, i ricercatori non sono ancora riusciti a creare sistemi ottici integrati miniaturizzati su un chip paragonabili alle comuni tecnologie elettroniche basate sul silicio. Gli attuali chip ottici integrati sono costituiti solo da poche centinaia di elementi su un chip.
In confronto, il chip del processore di un computer contiene molti miliardi di elementi di commutazione. Il lavoro del team tedesco-indiano rappresenta quindi un passo avanti nello sviluppo di isolatori ottici miniaturizzati. I materiali 2D utilizzati dai ricercatori hanno uno spessore di pochi strati atomici e quindi centomila volte più sottili di un capello umano.
"In futuro, i materiali bidimensionali potrebbero diventare il nucleo degli isolatori ottici e consentire l'integrazione su chip per le tecnologie di comunicazione e calcolo ottico quantistico odierne e future", afferma il prof. Rudolf Bratschitsch dell'Università di Münster.
Il professor Ashish Arora dell'IISER aggiunge:"Anche i magneti ingombranti, necessari anche per gli isolatori ottici, potrebbero essere sostituiti da magneti 2D atomicamente sottili". Ciò ridurrebbe drasticamente le dimensioni dei circuiti integrati fotonici.
Il team ha decifrato il meccanismo responsabile dell'effetto scoperto:le coppie elettrone-lacuna legate, i cosiddetti eccitoni, nei semiconduttori 2D ruotano molto fortemente la polarizzazione della luce quando il materiale ultrasottile viene posizionato in un piccolo campo magnetico.
Secondo Arora, "Condurre esperimenti così sensibili su materiali bidimensionali non è facile perché le aree campione sono molto piccole". Gli scienziati hanno dovuto sviluppare una nuova tecnica di misurazione che è circa 1.000 volte più veloce rispetto ai metodi precedenti.
Ulteriori informazioni: Benjamin Carey et al, Rotazione gigante di Faraday in semiconduttori atomicamente sottili, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47294-5
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università di Münster
