In un recente studioI fisici della Chalmers University of Technology in Svezia hanno identificato il motivo per cui le tecnologie basate sulla luce sono soggette a "limiti di velocità" che rendono impossibile agli interruttori ottici trasmettere informazioni oltre una certa velocità.

Nel tentativo di rendere le tecnologie sempre più efficienti, gli ingegneri hanno esplorato modi per utilizzare la luce, piuttosto che l'elettricità, per rappresentare e trasportare le informazioni.

Mentre l'elettronica ha permesso la creazione di computer straordinariamente potenti, stiamo iniziando a scoprire che ci sono limitazioni all'uso dell'elettricità come base delle nostre tecnologie. Vale a dire che possiamo solo rendere i nostri microchip così piccoli, e ci sono limitazioni sulla velocità con cui i fili metallici possono trasmettere informazioni.

I computer ottici - o computer che usano i fotoni invece degli elettroni - offrono un'alternativa incoraggiante. Alcuni credono che le tecnologie ottiche siano il futuro. Potrebbero essere molto più veloci, più efficienti dal punto di vista energetico e persino memorizzare più informazioni.

Per realizzare questo sogno, tuttavia, gli ingegneri ottici devono trovare un modo per superare i limiti sul controllo della luce.

Tutte le tecnologie che elaborano la luce, dai display visivi su telefoni cellulari e televisori ai cavi ottici, richiedono l'uso di interruttori ottici. Gli interruttori ottici vengono utilizzati per modificare il colore o l'intensità della luce comunicando informazioni ad alta velocità, fino a 100 miliardi di volte in un solo secondo nel traffico Internet.

Mentre questo è innegabilmente veloce, non è ancora abbastanza veloce per competere con i transistor elettronici tradizionali.

"Attualmente i cavi ottici trasportano le informazioni su grandi distanze, ma l'elaborazione delle informazioni avviene ancora convertendo la luce in segnali elettronici che vengono elaborati da transistor elettronici", ha dichiarato Sophie Viaene, ricercatore di nanofotonica presso il Dipartimento di Fisica di Chalmers e autore principale dello studio.

"Le speranze sono che, se gli interruttori ottici diventano veloci, efficienti dal punto di vista energetico e compatti come transistor elettronici, le informazioni potrebbero essere trasportate ed elaborate senza la necessità di convertire i segnali elettrici".

Nel tentativo di superare questo limite di velocità, i tecnici ottici hanno recentemente sviluppato materiali speciali artificiali noti come metamateriali optomeccanici. Questi materiali speciali sono progettati per superare i limiti a cui sono soggetti i materiali naturali.

"Una metasurface optomeccanica consiste di molti elementi elastici la cui configurazione meccanica determina come viene elaborata la luce", ha affermato Viaene.

"Le proprietà di tale metasurface possono essere controllate con un raggio ottico esterno, che esercita una forza ottica che modifica la configurazione degli elementi sulla superficie. In particolare, modificando la potenza del raggio ottico, la metasurface sperimenta forze ottiche e interruttori diversi da uno stato all'altro. Poiché un raggio ottico è un'onda con un'alta frequenza di oscillazione, i ricercatori speravano di utilizzare metasurfaciche optomeccaniche per la commutazione veloce. "

Nonostante le grandi speranze, i metamateriali optomeccanici non possono ancora violare questi limiti di velocità e non hanno ancora sovraperformato la tecnologia esistente basata su elettroni.

"Si scopre che la commutazione veloce non è possibile, perché l'interazione tra gli elementi elastici e il raggio ottico non è lineare, quindi per configurazioni specifiche il sistema è molto lento", prosegue Viaene.

Viaene ha cercato di capire esattamente perché gli interruttori ottici, anche quelli basati su metamateriali optomeccanici, non potevano superare questi limiti di velocità. Per fare ciò, Viaene ha esaminato la dinamica non lineare degli elementi metasurface sotto l'influenza di una forza ottica.

Per determinare la velocità degli interruttori ottici, è necessario sapere quanto velocemente gli elementi elastici sulla metasurface si spostano da una configurazione all'altra. In questo caso, la forza sugli elementi elastici è fortemente determinata dalla configurazione dell'elemento. In altre parole, la dinamica tra gli elementi elastici e il raggio ottico non è lineare.

I ricercatori hanno scoperto che la dinamica non lineare, che porta a strani fenomeni come il rallentamento critico per configurazioni associate a forze basse, gioca un ruolo importante nel limitare la velocità degli interruttori optomeccanici.

Hanno tratto due conclusioni importanti.

"Innanzitutto, l'interruttore ottico soffre di un rallentamento critico in regimi che si pensava fossero favorevoli al passaggio", ha affermato Viaene.

"In secondo luogo, esiste un limite di velocità fondamentale che si applica a tutte le frequenze del fascio ottico, il che impedisce alle metasurface di essere più veloci della velocità di commutazione dei transistor elettronici."

In pratica, ciò significa che, come attualmente progettato, le metasurure optomeccaniche non saranno di grande utilità per gli switch ad alta velocità. Semplicemente non sono in grado di superare questi limiti di velocità.

Mentre questo non promette nulla di buono per coloro che sperano di vedere un giorno come i computer ottici diventare realtà, ciò non significa che le metasurpiche optomeccaniche siano completamente inutili.

Viaene ha detto che possono ancora essere molto utili all'interno di una tecnologia che non richiede switch ad alta velocità, come la tecnologia wearable ottica come gli smartwatch e Google Glass. Questi materiali sono sottili e possono essere flessibili, rendendoli potenzialmente più utili dell'elettronica.

Lo studio può anche portare a nuovi approcci progettuali in grado di superare i limiti di velocità.

"Un'opzione è quella di manipolare una particella alla volta invece di un'intera superficie, così l'interazione con la luce è controllata in modo più efficiente", ha detto Viaene.

"Un'altra opzione consiste nel far muovere gli elementi in metamateriale in modo continuo a una velocità fissa e registrare le variazioni di questo movimento."

Il documento che dettaglia lo studio è pubblicato sulla rivista Lettere di revisione della fisica.

Il team di ricerca ha anche incluso Philippe Tassin, professore associato di fisica a Chalmers, e Vincent Ginis ed Jan Danckaert dalla Vrije Universiteit Brussel e Harvard University.