I fisici dell'Università di Würzburg hanno convertito i segnali elettrici in fotoni e li hanno irradiati in direzioni specifiche utilizzando un'antenna ottica a basso ingombro di soli 800 nanometri.

Le antenne direzionali convertono i segnali elettrici in onde radio e li emettono in una particolare direzione, consentendo prestazioni migliori e interferenze ridotte. Questo principio, che è utile nella tecnologia delle onde radio, potrebbe essere interessante anche per sorgenti luminose miniaturizzate. Dopotutto, quasi tutte le comunicazioni basate su Internet utilizzano la comunicazione della luce ottica. Le antenne direzionali per la luce potrebbero essere utilizzate per scambiare dati tra diversi core del processore con poca perdita e alla velocità della luce. Per consentire alle antenne di funzionare con le lunghezze d'onda molto corte della luce visibile, tali antenne direzionali devono essere ridotte a scala nanometrica.

I fisici di Würzburg hanno ora posto le basi per questa tecnologia in una pubblicazione pionieristica:Nella rivista " Comunicazioni sulla natura ", descrivono per la prima volta come generare luce infrarossa diretta utilizzando un'antenna Yagi-Uda azionata elettricamente in oro. L'antenna è stata sviluppata dal gruppo di lavoro sulla nano-ottica del professor Bert Hecht, che detiene la cattedra di Fisica Sperimentale 5 presso l'Università di Würzburg. Il nome "Yagi-Uda" deriva dai due ricercatori giapponesi, Hidetsugu Yagi e Shintaro Uda, che ha inventato l'antenna negli anni '20.

Applicazione delle leggi della tecnologia delle antenne ottiche

Che aspetto ha un'antenna Yagi-Uda per la luce? "Fondamentalmente, funziona allo stesso modo dei suoi fratelli maggiori per le onde radio, " spiega il dottor René Kullock, un membro del team di nano-ottica. Viene applicata una tensione CA che fa vibrare gli elettroni nel metallo e di conseguenza le antenne irradiano onde elettromagnetiche. "Nel caso di un'antenna Yagi-Uda, però, ciò non avviene uniformemente in tutte le direzioni ma attraverso la sovrapposizione selettiva delle onde irradiate mediante appositi elementi, i cosiddetti riflettori e registi, " dice Kullock. "Ciò si traduce in un'interferenza costruttiva in una direzione e un'interferenza distruttiva in tutte le altre direzioni." Di conseguenza, tale antenna sarebbe in grado di ricevere la luce proveniente dalla stessa direzione solo se utilizzata come ricevitore.

Applicare le leggi della tecnologia delle antenne ad antenne su scala nanometrica che irradiano luce è tecnicamente impegnativo. Qualche tempo fa, i fisici di Würzburg erano già in grado di dimostrare che il principio di un'antenna luminosa azionata elettricamente funziona. Ma per realizzare un'antenna Yagi-Uda relativamente complessa, dovevano inventare nuove idee. Alla fine, ci sono riusciti grazie a una sofisticata tecnica di produzione:"Abbiamo bombardato l'oro con ioni di gallio che ci hanno permesso di ritagliare la forma dell'antenna con tutti i riflettori e i direttori, nonché i fili di collegamento necessari da cristalli d'oro di elevata purezza con grande precisione, " spiega Bert Hecht.

In un passaggio successivo, i fisici hanno posizionato una nanoparticella d'oro nell'elemento attivo in modo che tocchi un filo dell'elemento attivo mantenendo una distanza di un solo nanometro dall'altro filo. "Questo spazio è così stretto che gli elettroni possono attraversarlo quando viene applicata la tensione utilizzando un processo noto come tunneling quantistico, " spiega Kullock. Questo movimento di carica genera vibrazioni con frequenze ottiche nell'antenna che vengono emesse in una direzione specifica grazie alla speciale disposizione dei riflettori e dei direttori.

Precisione dipendente dal numero di amministratori

I ricercatori di Würzburg sono affascinati dall'insolita proprietà della loro nuova antenna che irradia luce in una direzione particolare sebbene sia molto piccola. Come nelle loro "controparti più grandi, " le antenne delle onde radio, la precisione direzionale dell'emissione luminosa della nuova antenna ottica è determinata dal numero di elementi dell'antenna. "Questo ci ha permesso di costruire la più piccola sorgente luminosa alimentata elettricamente al mondo fino ad oggi in grado di emettere luce in una direzione specifica, "Dettagli Hecht.

Però, c'è ancora molto lavoro da fare prima che la nuova invenzione sia pronta per essere utilizzata nella pratica. in primo luogo, i fisici devono lavorare sulla controparte che riceve i segnali luminosi. In secondo luogo, devono aumentare l'efficienza e la stabilità.