La ricerca di tecnologie di nuova generazione premia la produzione di maggiore velocità ed efficienza con componenti costruiti su scale sufficientemente piccole da funzionare su un chip di computer.
Uno degli ostacoli ai progressi nelle comunicazioni "on-chip" è la dimensione delle onde elettromagnetiche alle frequenze radio e microonde, che costituiscono la spina dorsale della moderna tecnologia wireless. Le onde relativamente grandi ammanettano un'ulteriore miniaturizzazione.
Gli scienziati che cercano di superare queste limitazioni stanno esplorando il potenziale del trasporto ottico che sfrutta le proprietà di lunghezze d'onda molto più piccole, come quelli nei terahertz, frequenze infrarosse e visibili.
Un team di ricercatori del Boston College ha sviluppato il primo sistema di comunicazione wireless su nanoscala che opera a lunghezze d'onda visibili utilizzando antenne che inviano e ricevono plasmoni di superficie con un grado di controllo senza precedenti, il team riporta nell'ultima edizione della rivista Nature's Rapporti scientifici .
Per di più, il dispositivo permette una configurazione "in-plane", una classe pregiata di trasmissione e recupero di informazioni a due vie in un unico percorso, secondo lo studio, condotto da un team nel laboratorio di Evelyn J. e Robert A. Ferris, professore di fisica Michael J. Naughton.
I risultati segnano un primo importante passo verso una versione su nanoscala - e l'equivalente in frequenza visibile - dei sistemi di comunicazione wireless esistenti, secondo i ricercatori. Tali sistemi su chip potrebbero essere utilizzati per comunicazioni ad alta velocità, guida d'onda plasmonica ad alta efficienza e commutazione di circuito in piano, un processo attualmente utilizzato nei display a cristalli liquidi.
Il dispositivo ha raggiunto la comunicazione su diverse lunghezze d'onda nei test utilizzando la microscopia ottica a scansione in campo vicino, secondo il coautore principale Juan M. Merlo, un ricercatore post-dottorato che ha avviato il progetto.
"Juan è stato in grado di spingerlo oltre il campo vicino - almeno fino a quattro volte la larghezza di una lunghezza d'onda. Questa è la vera trasmissione in campo lontano e quasi tutti i dispositivi che usiamo quotidianamente - dai nostri telefoni cellulari alle nostre auto - si affidano sulla trasmissione in campo lontano, " disse Naughton.
Il dispositivo potrebbe accelerare la trasmissione delle informazioni fino al 60 percento rispetto alle precedenti tecniche di guida d'onda plasmoniche e fino al 50 percento più veloce delle guide d'onda a nanofili plasmonici, riporta la squadra.
I plasmoni di superficie sono le oscillazioni di elettroni accoppiati all'interfaccia di un campo elettromagnetico e un metallo. Tra le loro abilità uniche, i plasmoni di superficie possono confinare l'energia su quell'interfaccia inserendosi in spazi più piccoli delle onde stesse.
I ricercatori che cercano di sfruttare queste capacità di lunghezza d'onda dei plasmoni di superficie hanno sviluppato strutture metalliche, comprese le antenne plasmoniche. Ma un problema persistente è stato l'impossibilità di ottenere un contenimento "in linea" dell'emissione e della raccolta della radiazione elettromagnetica.
Il team di BC ha sviluppato un dispositivo con un processo di conversione in tre fasi che cambia un plasmone di superficie in un fotone durante la trasmissione e quindi riconverte quella particella elettromagnetica elementare in un plasmone di superficie mentre il ricevitore lo raccoglie.
"Abbiamo sviluppato un dispositivo in cui le antenne plasmoniche comunicano tra loro con fotoni che trasmettono tra loro, " ha detto Naughton. "Questo è fatto con alta efficienza, con perdita di energia ridotta del 50 percento tra un'antenna e l'altra, che è un miglioramento significativo rispetto ad architetture comparabili."
Fondamentale per il ritrovato controllo dei plasmoni di superficie era la creazione di un piccolo spazio d'aria tra le onde e la superficie argentata del dispositivo, disse Merlo, che ha conseguito il dottorato di ricerca presso l'Istituto Nazionale di Astrofisica del Messico, Ottica ed elettronica. Rimuovendo una parte del substrato di vetro, il team ha ridotto l'attrazione dirompente del materiale sui fotoni in trasmissione. Espandere e restringere quel divario si è rivelato cruciale per la messa a punto del dispositivo.
Con le tradizionali guide d'onda in silicio, la dispersione riduce la velocità di trasmissione delle informazioni. Senza quell'impedimento, il nuovo dispositivo sfrutta la capacità dei plasmoni di superficie di viaggiare al 90-95% della velocità della luce su una superficie d'argento e i fotoni che viaggiano tra le antenne alla loro velocità intrinseca della luce, disse Merlo.
"La tecnologia ottica basata sul silicio esiste da anni, "ha detto Merlo. "Quello che stiamo facendo è migliorarlo per renderlo più veloce. Stiamo sviluppando uno strumento per rendere la fotonica al silicio più veloce e migliorare notevolmente i tassi di comunicazione".
