Accendere e spegnere la luce con un atomo d'argento

La quantità di dati scambiati in tutto il mondo attraverso le reti di comunicazione sta aumentando a un ritmo mozzafiato. Attualmente la quantità di dati per le comunicazioni via cavo e mobili aumenta rispettivamente del 23 e del 57% ogni anno. Non c'è fine a questa crescita. Tuttavia, ciò significa anche che tutti i componenti della rete devono diventare sempre più efficienti.

Questi componenti includono i cosiddetti modulatori, che convertono le informazioni, inizialmente disponibili in forma elettrica, in segnali ottici. I modulatori non sono altro che interruttori elettrici veloci che accendono o spengono un segnale laser in tempo con i segnali elettrici in arrivo. Migliaia di modulatori sono installati nei centri di calcolo. Tuttavia, hanno ancora lo svantaggio di essere piuttosto grandi. Misurano diversi centimetri e occupano molto spazio quando vengono utilizzati in gran numero.

Dal micro al nanomodulatore

Il gruppo di lavoro guidato da Jürg Leuthold, professore di fotonica e comunicazione, ha dimostrato sei mesi fa che sono possibili dispositivi più piccoli e più efficienti dal punto di vista energetico. In quell'occasione, i ricercatori hanno presentato un micromodulatore che misura appena 10 micrometri ed è quindi 10.000 volte più piccolo dei modulatori utilizzati in commercio (vedi Notizie dell'ETH).

Ora Leuthold e il suo team stanno facendo un passo avanti. Hanno sviluppato il modulatore ottico più piccolo del mondo. Il loro ultimo sviluppo è stato appena presentato sulla rivista scientifica "Nano Letters".

Non potrebbe essere più piccolo: questo componente funziona a livello di singoli atomi. Ciò corrisponde a un'ulteriore riduzione delle dimensioni di un fattore 1000 se si include l'interruttore insieme alla fibra ottica. Tuttavia, l'interruttore vero e proprio è ancora più piccolo, atomicamente piccolo. Il modulatore è persino molto più piccolo della lunghezza d'onda della luce utilizzata. La luce laser con una lunghezza d'onda di 1,55 micrometri viene utilizzata per la trasmissione dei segnali ottici nelle telecomunicazioni. Normalmente, questa dimensione determina la più piccola dimensione possibile del componente. "Fino a poco tempo fa, persino io pensavo che fosse impossibile battere questo limite", sottolinea Leuthold.

Nuova struttura

Ma il suo postdoc Alexandros Emboras ha sfidato le leggi dell'ottica realizzando un nuovo setup per costruire un modulatore. Questo setup ha permesso di raggiungere la scala dei singoli atomi, anche se i ricercatori hanno utilizzato luce con una "lunghezza d'onda standard".

Il modulatore di Embora è costituito da due minuscole piastrine, una di argento e una di platino, su una fibra ottica di silicio. Le due piastrine sono disposte l'una accanto all'altra a una distanza di pochi nanometri, con un piccolo rigonfiamento della piastrina d'argento che sporge nello spazio e quasi tocca la piastrina di platino.

Cortocircuito grazie all'atomo d'argento

Ecco come funziona il modulatore: la luce emessa da una fibra ottica viene guidata all'ingresso della fenditura attraverso la guida d'onda ottica. Chi siamo, la luce viene convertita in un plasmone di superficie. I plasmoni si verificano quando la luce trasferisce energia agli elettroni dello strato atomico più esterno della superficie metallica, facendoli oscillare. Queste oscillazioni di elettroni hanno un diametro molto più piccolo del fascio di luce stesso. Ciò consente loro di penetrare nella fenditura e di passare attraverso lo spazio ristretto. Dall'altra parte della fenditura, le oscillazioni degli elettroni possono essere riconvertite in segnali ottici.

Se ora si applica una tensione alla piastrina d'argento, un singolo - o al massimo pochi - atomi d'argento si spostano verso la punta del dente e si posizionano alla sua estremità. Questo fa sì che le piastrine d'argento e di platino entrino in cortocircuito l'una con l'altra, in modo che tra loro scorra una corrente elettrica. In questo modo si chiude la falla per il plasmone; l'interruttore si inverte e lo stato cambia da "acceso" a "spento" o viceversa. Non appena la tensione scende di nuovo al di sotto di un certo valore di soglia, un atomo d'argento torna indietro. La fessura si apre, il plasmone fluisce e l'interruttore si posiziona nuovamente su "On". Questo processo può essere ripetuto milioni di volte.

Il professore dell'ETH Mathieu Luisier, che ha partecipato a questo lavoro, ha simulato il sistema utilizzando un supercalcolatore ad alte prestazioni presso il CSCS di Lugano. Ciò gli ha permesso di confermare che il cortocircuito sulla punta del dente d'argento è causato da un singolo atomo.

Segnale digitale reale

Poiché il plasmone si muove solo attraverso la stretta fessura o completamente o per niente, viene prodotto un vero segnale digitale - uno o zero. "Questo ci permette di ottenere un circuito digitale come un transistor. Era da tempo che cercavamo una soluzione del genere", afferma Leuthold.

Il modulatore non è ancora pronto per la produzione in serie. Ha il vantaggio che, a differenza di altri dispositivi che lavorano con effetti quantistici in queste dimensioni, funziona a temperatura ambiente. Ma è ancora piuttosto lento per un modulatore: finora ha funzionato solo per frequenze di commutazione fino alla gamma dei megahertz. I ricercatori dell'ETH vorrebbero sintonizzarlo per frequenze nel settore dei giga e dei terahertz.

Miglioramento del processo litografico

Si vuole inoltre migliorare ulteriormente il metodo di litografia, che Emboras ha sviluppato da zero per costruire le parti, in modo da poter produrre tali componenti in modo affidabile in futuro. Al momento, la produzione è riuscita solo in uno dei sei tentativi. Tuttavia, i ricercatori lo considerano già un successo, poiché i processi di litografia su scala atomica sono un territorio inesplorato.

Leuthold ha rafforzato il suo team per continuare la ricerca sul nano-modulatore. Tuttavia, sottolinea che sarebbero necessarie maggiori risorse per sviluppare una soluzione commercialmente disponibile. Tuttavia, l'ETH è convinto che lui e il suo team saranno in grado di presentare una soluzione praticabile nei prossimi anni.