Un interruttore ottico apre la strada ai computer fotonici, con scenari avanzati di sostenibilità energetica

L’innovativo dispositivo ottico – sviluppato attraverso una collaborazione internazionale guidata da un italiano e in collaborazione con l’Università degli Studi di Brescia e dell’Aquila – rappresenta un avanzamento fondamentale per le infrastrutture digitali che sosterranno gli sforzi globali di decarbonizzazione nei prossimi decenni

Un team internazionale di ricerca – guidato da Marcello Ferrera, della Heriot-Watt University in Scozia, con Maria Antonietta Vincenti, Domenico de Ceglia e Michael Scalora, dell’Università di Brescia, Carlo Rizza, dell’Università dell’Aquila e ricercatori della Purdue negli Stati Uniti – ha sviluppato un interruttore capace di controllare e modificare le caratteristiche della luce in modo ultraveloce, 100mila volte più rapidamente di quanto possibile finora.

La scoperta – pubblicata sulla rivista Nature Photonics – apre le porte ai transistor ottici, i mattoni base per costruire sistemi di calcolo ultraveloci e reti di comunicazione completamente fotoniche.

Un’innovazione che potrà portare allo sviluppo della computazione fotonica, in grado di sostenere le necessità di calcolo dell’intelligenza artificiale e dei datacenter, con notevoli riduzioni nell’energia utilizzata.

Ci spiega meglio Maria Antonietta Vincenti, professoressa dell’Università di Brescia: “il nostro dispositivo rappresenta un avanzamento fondamentale per le infrastrutture digitali che sosterranno gli sforzi globali di decarbonizzazione nei prossimi decenni.

La transizione verso un’economia a basse emissioni di carbonio richiede non solo fonti energetiche rinnovabili, ma anche un’espansione senza precedenti della velocità, dell’efficienza e dell’intelligenza dei sistemi che gestiscono la distribuzione dell’energia, i processi industriali, il monitoraggio ambientale e le comunicazioni globali.

Oggi i data center e le reti di comunicazione rappresentano già una quota significativa e in rapida crescita dei consumi elettrici mondiali. Grazie alla capacità di realizzare commutazione ottica ultra rapida e funzioni fotoniche riconfigurabili all’interno di una singola piattaforma compatta e non strutturata, la nostra tecnologia offre un percorso concreto verso una elaborazione dell’informazione e interconnessioni ottiche molto più efficienti.

Allo stesso tempo, la possibilità di modellare la luce su scale temporali dell’ordine dei femtosecondi apre nuove prospettive per il sensing ambientale avanzato, la diagnostica atmosferica in tempo reale e il monitoraggio di precisione delle emissioni industriali, tutti elementi essenziali delle strategie di mitigazione climatica.

In questo senso, materiali fotonici temporali come il nostro costituiscono parte del tessuto tecnologico abilitante per un futuro sostenibile: riducono il costo energetico del calcolo, potenziano le capacità dei sistemi di monitoraggio ambientale e supportano lo sviluppo di infrastrutture digitali più verdi e resilienti.

Questi sono i pilastri silenziosi ma indispensabili di qualsiasi percorso credibile di decarbonizzazione.

Aggiungo che ogni modello climatico, ogni smart grid, ogni sistema di controllo delle energie rinnovabili dipende dall’instradamento dati ultrarapido, comunicazioni a basse perdite e interconnessioni fotoniche.

Con ulteriori sviluppi questa piattaforma è destinata a rivelare nuove funzionalità essenziali per reti ottiche ad alta efficienza energetica, intrinsecamente più sostenibili delle reti elettroniche.

Le tecnologie climatiche si basano inoltre su sensing atmosferico, rilevamento remoto di inquinanti e bio‑hazard, spettroscopia ultrarapida di aerosol, gas serra e materiali catalitici.

Il nostro dispositivo offre controllo di polarizzazione a banda larga, risoluzione temporale già al femtosecondo, con indicazioni promettenti verso la scala degli attosecondi (ci stiamo già attrezzando per testarlo in questo senso).

Tutto con un ingombro insignificante, parliamo di qualche centinaia di nanometri. Altri approcci ottici a oggi utilizzati sono basati sulle meta-superfici riconfigurabili, che però richiedono nanofabbricazione, litografia, e strutture complesse.

Il nostro approccio sostituisce la geometria con il tempo. Questo significa meno materiali, minima o nessuna fabbricazione, un’impronta di carbonio incorporata drasticamente ridotta e riconfigurabilità senza produrre nuovi dispositivi: un vantaggio concreto anche in termini di sostenibilità a livello di ingegneria dei materiali“.

Un interruttore fotonico per la nuova era del calcolo: ecco come funziona

Al centro della ricerca c’è la polarizzazione della luce, ossia la direzione di oscillazione delle onde luminose. Sebbene non percepibile direttamente, questa proprietà riveste un ruolo determinante in ambiti quali telecomunicazioni, imaging avanzato e sensoristica, oltre a risultare cruciale per l’analisi di molecole chirali, largamente impiegate in ambito farmaceutico e biomedico.

Il dispositivo sviluppato consente di modellare la polarizzazione in modo arbitrario utilizzando la luce stessa. In questo approccio, il fascio luminoso assume una funzione attiva, diventando uno strumento capace di plasmare le caratteristiche delle onde luminose con elevata precisione.

Il sistema opera su scale temporali estremamente ridotte, dell’ordine dei femtosecondi, ovvero pochi miliardesimi di milionesimo di secondo. In tale intervallo, il dispositivo è in grado di modificare dinamicamente il comportamento dei fotoni, assimilabili a blocchi trasportati lungo un flusso continuo alla velocità della luce.

La possibilità di intervenire sulla polarizzazione in tempi così brevi consente di ottenere un controllo senza precedenti, trasformando la luce in una piattaforma altamente modulabile e adattiva.

Materiali intelligenti e controllo ottico

Il cuore tecnologico del dispositivo è rappresentato da un controllore di polarizzazione dinamico basato su una sottile pellicola di ossido di zinco alluminato (Azo), un materiale conduttivo le cui proprietà ottiche possono essere modificate attraverso un fascio laser esterno.

Questo approccio elimina la necessità di componenti tradizionali come magneti o circuiti elettronici complessi, introducendo una modalità di controllo interamente ottica. La risposta del materiale varia in funzione dell’intensità del segnale luminoso, consentendo di programmare dinamicamente il comportamento del sistema.

Per intervalli temporali estremamente brevi, il dispositivo assume caratteristiche analoghe a quelle di un diodo ottico, modificando la propagazione della luce in modo direzionale.

Il controllo della polarizzazione su scale ultraveloci rappresenta da tempo una delle principali sfide della fotonica avanzata, in particolare per lo sviluppo di dispositivi a banda larghissima.

La piattaforma sviluppata introduce un cambio di paradigma: non più una manipolazione della luce attraverso strutture materiali statiche nello spazio, ma una modulazione dinamica nel tempo delle proprietà del materiale stesso.

Questo approccio consente di concepire materiali programmabili, capaci di modificare la propria funzione ottica in modo continuo e reversibile. Le implicazioni applicative includono meta-superfici dinamiche, componenti ottici riconfigurabili e dispositivi non reciproci operanti a frequenze finora inaccessibili.

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