Gli scienziati hanno creato una nuova antenna ottica per trasmettere informazioni senza restrizioni

I ricercatori dell'Università della California a Berkeley hanno trovato un nuovo modo per sfruttare le proprietà delle onde luminose che possono aumentare drasticamente la quantità di dati che trasportano. Hanno dimostrato l'emissione di raggi laser rotanti discreti da antenne costituite da anelli concentrici delle dimensioni di un capello umano, abbastanza piccoli da adattarsi ai chip dei computer.

Il nuovo lavoro, riportato in un articolo pubblicato sulla rivista Nature Physics, rivela ampiamente la quantità di informazioni che possono essere multiplexate o trasmesse simultaneamente da una sorgente di luce coerente. Un esempio comune di multiplexing è la trasmissione di più chiamate telefoniche su un unico cavo, ma c'erano limitazioni fondamentali sul numero di onde luminose intrecciate coerenti che potevano essere multiplexate direttamente.

Questa è la prima volta che i laser a luce ritorta sono stati multiplexati direttamente, ha affermato il Principal Investigator Boubacar Kante del Department of Electrical and Computer Science presso l'Università della California, Berkeley.

Stiamo vivendo un'esplosione di dati nel nostro mondo ei canali di comunicazione che abbiamo ora saranno presto insufficienti per ciò di cui abbiamo bisogno. La tecnologia che stiamo segnalando supera le attuali limitazioni della capacità di dati attraverso una caratteristica della luce chiamata momento angolare orbitale. È un punto di svolta con applicazioni nell'imaging biologico, crittografia quantistica, comunicazioni e sensori ad alte prestazioni.

Kante ha affermato che i moderni metodi di trasmissione dei segnali utilizzando le onde elettromagnetiche stanno raggiungendo i loro limiti. La frequenza, ad esempio, è diventata satura, motivo per cui ci sono così tante stazioni che puoi sintonizzare sulla radio. La polarizzazione, in cui le onde luminose sono suddivise in due valori - orizzontale o verticale - può raddoppiare la quantità di informazioni trasmesse.

I registi ne approfittano per creare film 3D, consentendo agli spettatori con occhiali specializzati di ricevere due serie di segnali: uno per ciascun occhio per creare un effetto stereoscopico e un'illusione di profondità.

Usare il potenziale in un vortice:

Ma oltre la frequenza e la polarizzazione c'è il momento angolare orbitale, o OAM, una proprietà della luce che ha catturato l'attenzione degli scienziati perché fornisce una larghezza di banda esponenzialmente maggiore per la trasmissione dei dati. Un modo per rappresentare OUM è confrontarlo con un vortice di tornado.

Un vortice nella luce, con i suoi infiniti gradi di libertà, può, in linea di principio, supportare una quantità illimitata di dati, ha detto Kante. La sfida era trovare un modo per produrre in modo affidabile un numero infinito di travi OAM. Nessuno ha mai prodotto fasci OAM con cariche così elevate in un dispositivo così compatto.

I ricercatori hanno iniziato con un'antenna, uno dei componenti più importanti dell'elettromagnetismo e, hanno notato, centrale per le attuali tecnologie 5G e future 6G. Le antenne in questo studio sono topologiche, il che significa che le loro proprietà di base vengono mantenute anche quando il dispositivo è attorcigliato o piegato.

Creare anelli di luce:

Per realizzare l'antenna topologica, i ricercatori hanno utilizzato la litografia a fascio di elettroni per incidere una griglia su fosfuro di arseniuro di indio-gallio, un materiale semiconduttore, quindi hanno fissato la struttura a una superficie di granato di ferro e ittrio.

I ricercatori hanno sviluppato una griglia per formare pozzi quantistici sotto forma di tre cerchi concentrici, il più grande, di circa 50 micron di diametro, per catturare i fotoni. Il progetto ha creato le condizioni per supportare un fenomeno noto come effetto Hall quantistico fotonico, che descrive il movimento dei fotoni quando viene applicato un campo magnetico che fa muovere la luce in anelli in una sola direzione.

La gente pensava che l'effetto Hall quantistico con un campo magnetico potesse essere utilizzato nell'elettronica, ma non nell'ottica a causa del debole magnetismo dei materiali esistenti alle frequenze ottiche, ha detto Kante. Siamo stati i primi a dimostrare che l'effetto Hall quantistico funziona effettivamente per la luce.

Applicando un campo magnetico perpendicolare alla loro microstruttura bidimensionale, i ricercatori hanno generato con successo tre raggi laser OUM che si muovono in orbite circolari sopra la superficie. Lo studio ha anche dimostrato che i raggi laser hanno numeri quantici fino a 276, il che significa che il numero di volte in cui la luce viene ruotata sul suo asse alla stessa lunghezza d'onda.

Avere un numero quantico più grande è come avere più lettere nell'alfabeto, ha detto Kante. - Permettiamo alla luce di espandere il suo vocabolario. Nel nostro studio, abbiamo dimostrato questa capacità alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, ma in linea di principio può essere adattata anche ad altre bande di frequenza. Anche se abbiamo creato tre laser moltiplicando la velocità dei dati per tre, non c'è limite al numero di raggi e alla capacità dei dati.

Gli scienziati dicono che il prossimo passo sarà creare anelli di Hall quantistici.