Scoperta USC: un nuovo dispositivo fotonico instrada la luce autonomamente usando principi di termodinamica ottica, senza interruttori né controlli digitali
Luce intelligente: il primo sistema ottico che si auto-regola come un fluido.
Un team di ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica Ming Hsieh ha realizzato un'importante innovazione nel campo della fotonica: la progettazione del primo dispositivo ottico che segue il nuovo paradigma emergente della termodinamica ottica. Il lavoro, pubblicato su Nature Photonics (1), introduce un modo fondamentalmente nuovo di instradare la luce in sistemi non lineari - cioè sistemi che non richiedono interruttori, controlli esterni o indirizzamenti digitali. Al contrario, la luce trova naturalmente il proprio percorso attraverso il dispositivo, guidata da semplici principi termodinamici.
Dalle valvole ai router alla luce
L’instradamento universale è un concetto ben noto in ingegneria. In meccanica, una valvola a collettore dirige gli ingressi verso un’uscita scelta. Nell’elettronica digitale, un router Wi-Fi domestico o uno switch Ethernet in un data center indirizza le informazioni da molti canali di ingresso alla porta di uscita corretta, assicurando che ogni flusso di dati raggiunga la sua destinazione. Tuttavia, quando si tratta di luce, il problema è molto più complesso. I router ottici convenzionali si basano su complessi array di interruttori e controlli elettronici per commutare i percorsi. Questi approcci aumentano la difficoltà tecnica, limitando al contempo velocità e prestazioni.
Il team di fotonica della USC Viterbi School of Engineering ha ora dimostrato che esiste un’altra via. L’idea può essere paragonata a un labirinto per biglie che si organizza da solo. Normalmente, bisognerebbe sollevare barriere e guidare la biglia passo dopo passo per assicurarsi che raggiunga la destinazione - il foro giusto. Nel dispositivo del team USC, tuttavia, il labirinto è costruito in modo tale che, ovunque si lasci cadere la biglia, essa rotolerà da sola verso il punto corretto - senza bisogno di mani che la guidino. Ed è esattamente così che si comporta la luce: trova naturalmente il percorso corretto, seguendo i principi della termodinamica.
Impatto potenziale sull’industria
Le implicazioni di questo nuovo approccio vanno ben oltre il laboratorio. Poiché l’informatica e l’elaborazione dei dati continuano a spingere i limiti dell’elettronica tradizionale, diverse aziende - inclusi progettisti di chip come NVIDIA e altri - stanno esplorando gli interconnettori ottici come mezzo per trasferire informazioni in modo più rapido ed efficiente. Offrendo un modo naturale e auto-organizzante per dirigere i segnali luminosi, la termodinamica ottica potrebbe accelerare lo sviluppo di tali tecnologie. Oltre all’instradamento dei dati su scala di chip, il paradigma potrebbe influenzare anche le telecomunicazioni, il calcolo ad alte prestazioni e persino l’elaborazione sicura delle informazioni, offrendo una via verso dispositivi al contempo più semplici e più potenti.
Come Funziona: il caos domato dalla termodinamica
I sistemi ottici multimodali non lineari sono spesso considerati caotici e imprevedibili. La loro complessa interazione di modi li ha resi tra i sistemi più difficili da simulare—per non parlare della progettazione per usi pratici. Eppure, proprio perché non sono vincolati dalle regole dell’ottica lineare, racchiudono fenomeni fisici ricchi e ancora inesplorati.
Riconoscendo che la luce in questi sistemi attraversa un processo simile al raggiungimento dell’equilibrio termico - analogo a come i gas raggiungono l’equilibrio tramite collisioni molecolari - i ricercatori della USC hanno sviluppato una teoria completa della “termodinamica ottica”. Questo paradigma descrive il comportamento della luce in reticoli non lineari usando analoghi di processi termodinamici familiari come espansione, compressione e persino transizioni di fase.
Un dispositivo che instrada la luce da sé
La dimostrazione del team su Nature Photonics segna il primo dispositivo progettato secondo questa nuova teoria. Invece di dirigere attivamente il segnale, il sistema è progettato affinché la luce si instradi da sola.
Il principio è direttamente ispirato alla termodinamica. Proprio come un gas che subisce una cosiddetta espansione di Joule-Thomson redistribuisce pressione e temperatura prima di raggiungere naturalmente l’equilibrio termico, la luce nel dispositivo USC attraversa un processo in due fasi: prima un’analogia ottica dell’espansione, poi l’equilibrio termico. Il risultato è un flusso auto-organizzato di fotoni verso il canale di uscita designato - senza alcun bisogno di interruttori esterni.
L’apertura di una nuova frontiera
Trasformando efficacemente il caos in prevedibilità, la termodinamica ottica apre la strada alla creazione di una nuova classe di dispositivi fotonici che sfruttano - anziché contrastare - la complessità dei sistemi non lineari. «Oltre all’instradamento, questo paradigma potrebbe anche abilitare approcci completamente nuovi alla gestione della luce, con implicazioni per l’elaborazione delle informazioni, le comunicazioni e l’esplorazione della fisica fondamentale», ha affermato l’autrice principale dello studio, Hediyeh M. Dinani, dottoranda nel laboratorio Optics and Photonics Group della USC Viterbi.
Il dottor Demetrios Christodoulides, titolare della cattedra Steven and Kathryn Sample in Ingegneria e professore di Ingegneria Elettrica e Informatica alla USC Viterbi, ha aggiunto: «Ciò che un tempo era considerata una sfida insormontabile in ottica è stato riformulato come un processo fisico naturale, che potrebbe ridefinire il modo in cui gli ingegneri affrontano il controllo della luce e di altri segnali elettromagnetici».
Riferimenti:
(1) Universal routing of light via optical thermodynamics
Descrizione foto: La luce che si guida da sola potrebbe alimentare la prossima rivoluzione nel campo dell’informatica e delle comunicazioni. - Credit: Yunxuan Wei at USC.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: USC Viterbi Team Demonstrates First Optical Device Based on “Optical Thermodynamics”