Il National Institute of Standards and Technology (NIST) e i suoi collaboratori hanno conseguito un avanzamento piccolo ma potente nella tecnologia temporale: chip compatti che convertano senza soluzione di continuità la luce in microonde. Questo chip potrebbe migliorare il GPS, la qualità delle connessioni telefoniche e internet, l'accuratezza dei radar e dei sistemi di rilevamento e altre tecnologie che si basano su timing e comunicazioni ad alta precisione.
Questa tecnologia riduce qualcosa noto come jitter temporale, che sono piccole variazioni casuali nel timing dei segnali a microonde. Simile a quando un musicista cerca di mantenere un ritmo costante nella musica, il timing di questi segnali a volte può oscillare un po'. I ricercatori hanno ridotto queste oscillazioni temporali a una frazione molto piccola di secondo — 15 femtosecondi per essere precisi, un grande miglioramento rispetto alle fonti a microonde tradizionali — rendendo i segnali molto più stabili e precisi in modi che potrebbero aumentare la sensibilità dei radar, l'accuratezza dei convertitori analogico-digitali e la chiarezza delle immagini astronomiche catturate da gruppi di telescopi.
I risultati del team sono stati pubblicati su Nature.
Proiettare la Luce sulle Microonde
Ciò che distingue questa dimostrazione è il design compatto dei componenti che producono questi segnali. Per la prima volta, i ricercatori hanno preso ciò che una volta era un sistema delle dimensioni di un tavolo e lo hanno ridotto in gran parte in un chip compatto, delle dimensioni approssimativamente di una scheda di memoria di una fotocamera digitale. Ridurre il jitter temporale su piccola scala riduce il consumo di energia e lo rende più utilizzabile in dispositivi di tutti i giorni.
Attualmente, diversi componenti per questa tecnologia sono situati al di fuori del chip, mentre i ricercatori ne testano l'efficacia. L'obiettivo finale di questo progetto è integrare tutte le diverse parti, come laser, modulatori, rilevatori e amplificatori ottici, su un singolo chip.
Integrando tutti i componenti su un singolo chip, il team potrebbe ridurre sia le dimensioni sia il consumo energetico del sistema. Ciò significa che potrebbe essere facilmente incorporato in piccoli dispositivi senza richiedere molta energia e formazione specializzata.
“La tecnologia attuale richiede diversi laboratori e molti dottorati di ricerca per far avvenire i segnali a microonde”, ha detto Frank Quinlan, fisico del NIST. “Molto di ciò che riguarda questa ricerca è come utilizziamo i vantaggi dei segnali ottici riducendo le dimensioni dei componenti e rendendo tutto più accessibile.”
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori utilizzano un laser a semiconduttore, che funge da torcia molto stabile. Dirigono la luce del laser in una piccola scatola a specchio chiamata cavità di riferimento, simile a una stanza in miniatura dove la luce rimbalza. All'interno di questa cavità, alcune frequenze luminose sono abbinate alle dimensioni della cavità in modo che i picchi e le valli delle onde luminose si adattino perfettamente tra le pareti. Ciò fa sì che la luce accumuli potenza in quelle frequenze, che viene utilizzata per mantenere stabile la frequenza del laser. La luce stabile viene quindi convertita in microonde utilizzando un dispositivo chiamato pettine di frequenza, che trasforma la luce ad alta frequenza in segnali a microonde di tonalità più bassa. Queste microonde precise sono cruciali per tecnologie come sistemi di navigazione, reti di comunicazione e radar perché forniscono un timing e una sincronizzazione precisi.
“L'obiettivo è far funzionare tutte queste parti insieme in modo efficace su una piattaforma singola, il che ridurrebbe notevolmente la perdita di segnali e eliminerebbe la necessità di tecnologia aggiuntiva”, ha detto Quinlan. “La fase uno di questo progetto era mostrare che tutte queste singole parti funzionano insieme. La fase due è metterle insieme sul chip.”
Nei sistemi di navigazione come il GPS, il timing preciso dei segnali è essenziale per determinare la posizione. Nelle reti di comunicazione, come i sistemi telefonici cellulari e internet, l'accuratezza del timing e la sincronizzazione di segnali multipli garantiscono che i dati vengano trasmessi e ricevuti correttamente.
Per esempio, la sincronizzazione dei segnali è importante per reti cellulari affollate per gestire chiamate telefoniche multiple. Questo allineamento preciso dei segnali nel tempo consente alla rete cellulare di organizzare e gestire la trasmissione e la ricezione dei dati da dispositivi multipli, come il tuo cellulare. Ciò garantisce che più chiamate telefoniche possano essere effettuate simultaneamente sulla rete senza subire ritardi o interruzioni significative.
Nel radar, utilizzato per rilevare oggetti come aerei e modelli meteorologici, il timing preciso è cruciale per misurare accuratamente quanto tempo impiega il segnale a rimbalzare indietro.
“Ci sono tutte sorti di applicazioni per questa tecnologia. Ad esempio, gli astronomi che stanno immaginando oggetti astronomici lontani, come buchi neri, hanno bisogno di segnali a basso rumore e sincronizzazione degli orologi”, ha detto Quinlan. “E questo progetto aiuta a portare quei segnali a basso rumore fuori dal laboratorio e nelle mani dei tecnici radar, degli astronomi, degli scienziati ambientali, di tutti questi campi diversi, per aumentare la loro sensibilità e capacità di misurare cose nuove.”
Lavorare Insieme Verso un Obiettivo Comune
Creare questo tipo di avanzamento tecnologico non si fa da soli. Ricercatori dell'Università del Colorado Boulder, del Jet Propulsion Laboratory della NASA, del California Institute of Technology, dell'Università della California Santa Barbara, dell'Università della Virginia e della Yale University si sono riuniti per raggiungere questo obiettivo comune: rivoluzionare il modo in cui sfruttiamo luce e microonde per applicazioni pratiche.
“Mi piace paragonare la nostra ricerca a un progetto di costruzione. Ci sono molte parti in movimento, e devi assicurarti che tutti siano coordinati in modo che il fabbro e l'elettricista arrivino al momento giusto nel progetto”, ha detto Quinlan. “Lavoriamo tutti insieme molto bene per far progredire le cose.”
Questo sforzo collaborativo sottolinea l'importanza della ricerca interdisciplinare nel guidare il progresso tecnologico, ha detto Quinlan.
Paper: Igor Kudelin et al. Oscillatore a microonde a basso rumore basato su chip fotoniche. Nature. Pubblicato online il 6 marzo 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07058-z
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Glossario
- Jitter temporale: Variazioni casuali nel timing dei segnali.
- Microonde: Onde elettromagnetiche con lunghezza d'onda nell'intervallo di centimetri.
- GPS: Global Positioning System, un sistema di navigazione satellitare.
- Laser a semiconduttore: Dispositivo che produce luce coerente attraverso l'eccitazione di un semiconduttore.
- Cavità di riferimento: Una struttura ottica in cui la luce può essere confinata e riflessa multiple volte.
- Pettine di frequenza: Dispositivo che converte la luce ad alta frequenza in segnali a frequenza più bassa.
- Oscillatore a microonde: Dispositivo che genera segnali a microonde.
- NIST: National Institute of Standards and Technology, un'agenzia statunitense che sviluppa e promuove misure di precisione.
- Ph.D.: Dottorato di ricerca.
- DOI: Digital Object Identifier, un identificatore univoco per un documento digitale.
