Secondo Lan Yang, professore di ingegneria elettrica e dei sistemi titolare della cattedra Edwin H. & Florence G. Skinner e autore principale della ricerca, ora pubblicata su Science Advances, il loro metodo provoca un "capovolgimento speculare del sistema".
Utilizzando guide d'onda fotoniche a simmetria tempo-parità (PT), è possibile manipolare le onde luminose per "invertire il tempo", in modo che il sistema si comporti come prima, ha aggiunto Yang.
"La simmetria PT consente nuovi modi di controllare la luce, particolarmente utili per applicazioni nelle comunicazioni ottiche, nei laser e nei sensori", afferma.
I ricercatori post-dottorato Wenbo Mao e Fu Li, autori principali dello studio, descrivono i loro sistemi come "trasmissioni riconfigurabili".
Mao usa un polarizzatore ottico come analogia per spiegare questo sistema.
"Immaginate un polarizzatore come una porta leggermente aperta: lascia passare solo la luce con una specifica direzione di polarizzazione, allineata con la fenditura, mentre la luce polarizzata perpendicolarmente alla fenditura viene bloccata", spiega Mao.
"Ora immaginate una serie di polarizzatori. Il primo è allineato con la polarizzazione iniziale della luce, mentre ogni polarizzatore successivo ruota gradualmente fino a quando l'ultimo non è perfettamente perpendicolare alla polarizzazione originale. Se la luce incontra per prima il polarizzatore correttamente allineato, la rotazione graduale le permette di attraversare l'intero sistema. Tuttavia, se la luce incontra per prima l'ultimo polarizzatore, che è perpendicolare alla sua polarizzazione, viene immediatamente bloccata.".
Questo effetto permette alla luce di viaggiare attraverso il sistema in una sola direzione. Questa "trasmissione asimmetrica" è uno dei risultati chiave di questo lavoro, in quanto può semplificare i sistemi di telecomunicazione.
I sistemi di telecomunicazione contengono componenti progettati per garantire che i dati fluiscano in una sola direzione, ad esempio da un server a un client. Quando qualcuno guarda un film in streaming, ad esempio, desidera che il flusso di dati si muova in modo costante verso il suo dispositivo; l'utente non vuole che i dati provenienti dalla propria abitazione ritornino alla sorgente. La trasmissione asimmetrica è la soluzione a questo problema.
Nelle comunicazioni ottiche, gli isolanti vengono tipicamente utilizzati per direzionare la luce mediante l'applicazione di campi magnetici, garantendo che si propaghi in un'unica direzione e prevenendo le interferenze. Il sistema presentato in questo studio utilizza guide d'onda progettate con cura per controllare la trasmissione della luce, eliminando la necessità di componenti isolanti complessi e ingombranti e fornendo una soluzione più semplice ed efficiente per la propagazione unidirezionale della luce.
Nel lavoro, i ricercatori hanno progettato con cura dei chip fotonici per costruire un sistema periodico, chiamato fisica non hermitiana di Floquet, per imitare l'effetto dei polarizzatori ruotati descritto da Mao. Il sistema permette alla luce di propagarsi in una sola direzione quando subisce transizioni di fase non hermitiane.
Li ha descritto la luce come "una ballerina che ruota in una stanza piena di trappole accuratamente posizionate".
Mentre il ballerino si muove in avanti (da sinistra a destra), ogni passo è guidato con precisione per evitare le trappole. Tuttavia, quando il ballerino tenta di muoversi all'indietro, ogni passo cade direttamente in una trappola, impedendo un movimento fluido in quella direzione. Nell'esperimento, la luce funge da ballerino, mentre minuscoli pezzi di metallo lungo le guide d'onda fungono da trappole, assicurando che la luce si muova in modo efficiente in una sola direzione.
"La nostra struttura è molto semplice, ma offre prestazioni eccellenti che possono essere utilizzate per ridurre le interferenze tra diversi componenti ottici", ha affermato Li, aggiungendo che questo meccanismo ha potenziali applicazioni in molti dispositivi di telecomunicazione.
"Abbiamo semplicemente modificato il design del dispositivo stesso", ha spiegato Yang. "Questo ci permette di ottenere attivamente una trasmissione asimmetrica della luce che trasporterà le informazioni nella direzione desiderata."
Mao W, Li F, Zhang Q, Xu W, Masud Awan K, Yang L. Trasmissione riconfigurabile su chip in fotonica a simmetria temporale e parità di Floquet con chirp spaziale. Sci. Adv. 11(2025).
DOI:10.1126/sciadv.adu4653
Questo progetto è parzialmente finanziato dalla National Science Foundation (EFMA1641109).
