Negli ultimi anni, la ricerca scientifica ha compiuto passi da gigante nel campo della misurazione di precisione, grazie allo sviluppo di dispositivi sempre più sofisticati e accurati. Tra questi, i “frequency combs” o pettini di frequenza, hanno rivoluzionato il modo in cui misuriamo il tempo, rileviamo molecole attraverso la spettroscopia e molto altro. Tuttavia, fino ad oggi, l’uso di questi strumenti è stato limitato agli ambienti di laboratorio, a causa delle loro dimensioni ingombranti, del costo elevato e del grande consumo energetico.
Recentemente, un gruppo di ricercatori dell’Università di Stanford ha sviluppato un nuovo tipo di pettine di frequenza, noto come “microcomb”, che promette di superare questi limiti. Questo dispositivo, descritto in uno studio pubblicato sulla rivista Nature, è notevolmente piccolo, estremamente efficiente dal punto di vista energetico e eccezionalmente preciso. Il microcomb sfrutta la tecnologia del film sottile di niobato di litio per superare le limitazioni tradizionali, offrendo una soluzione scalabile per dispositivi compatti e a basso consumo energetico.
Le potenziali applicazioni di questa tecnologia sono molteplici e vanno dai dispositivi diagnostici medici portatili a sensori per il monitoraggio dei gas serra. “La struttura del nostro pettine di frequenza unisce i migliori elementi della tecnologia microcomb emergente in un unico dispositivo”, ha affermato Hubert Stokowski, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Amir Safavi-Naeini e autore principale dello studio. “Possiamo potenzialmente ridimensionare il nostro nuovo microcomb per dispositivi compatti, a basso consumo energetico e poco costosi che possono essere distribuiti quasi ovunque”.
Il nuovo dispositivo è chiamato Oscillatore Parametrico Ottico Modulato in Frequenza Integrato, o FM-OPO. Combina due strategie per creare una gamma di frequenze distinte, o colori della luce, che costituiscono un pettine di frequenza. Una strategia, chiamata oscillazione parametrica ottica, coinvolge il rimbalzo di fasci di luce laser all’interno di un mezzo cristallino, dove la luce generata si organizza in impulsi di onde coerenti e stabili. La seconda strategia si concentra sull’invio di luce laser in una cavità e poi sulla modulazione della fase della luce, ottenuta applicando segnali a radiofrequenza al dispositivo, per produrre ripetizioni di frequenza che agiscono in modo simile a impulsi di luce.
I ricercatori hanno affrontato la sfida attraverso il loro lavoro su una piattaforma di circuiti ottici altamente promettente basata su un materiale chiamato film sottile di niobato di litio. Questo materiale ha proprietà vantaggiose rispetto al silicio, il materiale standard dell’industria. Due di queste proprietà utili sono la “non linearità” (permette ai fasci di luce di diversi colori di interagire tra loro per generare nuovi colori o lunghezze d’onda) e una vasta gamma di lunghezze d’onda della luce che possono passare attraverso di esso.
Il pettine prodotto dal dispositivo ha un output continuo piuttosto che impulsi di luce, il che ha permesso ai ricercatori di ridurre la potenza di ingresso richiesta di circa un ordine di grandezza. Il dispositivo ha anche prodotto un pettine convenientemente “piatto”, il che significa che le linee del pettine più lontane in lunghezza d’onda dal centro dello spettro non svaniscono in intensità, offrendo così una maggiore precisione e una maggiore utilità nelle applicazioni di misurazione.
Per ulteriori approfondimenti sul loro dispositivo che ha superato le aspettative, i ricercatori si sono rivolti a Martin Fejer, professore di fisica e fisica applicata a Stanford e coautore dello studio. Fejer ha contribuito a far avanzare le moderne tecnologie fotoniche del film sottile di niobato di litio e la comprensione delle proprietà cristalline del materiale.
I nuovi microcombs, con ulteriori perfezionamenti, dovrebbero essere facilmente fabbricabili nelle fonderie di microchip convenzionali con molte applicazioni pratiche come il rilevamento, la spettroscopia, la diagnostica medica, le comunicazioni in fibra ottica e i dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute.
“Il nostro chip microcomb potrebbe essere inserito in qualsiasi cosa, con le dimensioni del dispositivo complessivo che dipendono dalle dimensioni della batteria”, ha detto Stokowski. “La tecnologia che abbiamo dimostrato potrebbe entrare in un dispositivo personale a basso consumo, delle dimensioni di un telefono o anche più piccolo, e servire a tutti i tipi di scopi utili”.
