Rivoluzione fotonica: l'onda a forma di narvalo miniaturizza la luce

Elettronica

Redazione del sito web di Innovazione Tecnologica - 06/11/2025

Il segreto della miniaturizzazione dei computer leggeri risiede in una funzione d'onda a forma di narvalo, che consente il confinamento spaziale in una modalità elettromagnetica appropriata e determina direttamente l'intensità delle interazioni luce-materia. [Immagine: Wen-Zhi Mao et al. - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Calcolo basato sulla luce

L'informatica fotonica , con i suoi processori che utilizzano fotoni anziché elettroni , ha già ampiamente dimostrato i suoi vantaggi in termini di velocità ed efficienza energetica rispetto ai computer elettronici.

Tuttavia, prima di poter acquistare un telefono cellulare o un notebook fotonico, ci sono ancora delle sfide da superare: i componenti ottici non competono con l'elettronica a semiconduttori in termini di miniaturizzazione .

Il motivo è fondamentale: il principio di indeterminazione di Heisenberg collega il confinamento spaziale della luce alla sua lunghezza d'onda, che nel visibile e nel vicino infrarosso può essere fino a mille volte più lunga della lunghezza d'onda degli elettroni. Questa incompatibilità ha reso i chip fotonici ingombranti.

La plasmonica offre un modo per aggirare la barriera, utilizzando i metalli per comprimere la luce in volumi al di sotto della lunghezza d'onda. Tuttavia, i metalli dissipano energia sotto forma di calore, generando una necessità di compensazione che ostacola il progresso verso un'integrazione efficiente e su larga scala dei computer luminosi.

Caratteristiche dell'onda narvalo e sua modalità di generazione. [Immagine: Wen-Zhi Mao et al. - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Onda a forma di narvalo

Le speranze di un impulso definitivo alla miniaturizzazione dei computer basati sulla luce hanno iniziato a emergere l'anno scorso, quando un team dell'Università di Pechino in Cina ha sviluppato un'equazione di scattering singolare, un nuovo quadro teorico che mostra come la luce può essere confinata a scale estreme in materiali dielettrici (isolanti o non conduttivi) senza perdite.

Basandosi esclusivamente su materiali dielettrici, l'approccio evita perdite ohmiche, aprendo la strada a una nuova generazione di dispositivi fotonici compatti ed efficienti dal punto di vista energetico.

Ora, lo stesso team ha approfondito la comprensione del fenomeno, scoprendo che lo straordinario confinamento reso possibile dall'equazione di dispersione singolare emerge da una nuova classe di automodi elettromagnetici, speciali funzioni d'onda con un profilo a forma di narvalo. L'onda assume un profilo che ricorda quello del narvalo, o unicorno marino, una balena dentata dotata di una lunga zanna dritta ed elicoidale che sembra un corno, ma che in realtà è un canino superiore sinistro allungato.

Queste modalità d'onda combinano il rafforzamento della legge di potenza locale con il decadimento esponenziale globale, consentendo ai campi elettromagnetici di concentrarsi e comprimersi ben oltre i limiti convenzionali dettati dalla lunghezza d'onda.

Grazie a questa comprensione, il team si è trovato in possesso di tutti gli strumenti necessari per dimostrare l'effetto nella pratica.

L'onda a forma di narvalo è prodotta da nanolaser dielettrici che utilizzano nanoantenne con dimensioni pari a quelle atomiche. [Immagine: Yun-Hao Ouyang et al. - 10.1038/s41586-024-07674-9]

Miniaturizzazione della fotonica

Wen-Zhi Mao e i suoi colleghi progettarono, costruirono e dimostrarono sperimentalmente il funzionamento di un risonatore dielettrico tridimensionale in grado di confinare le onde mediante subdiffrazione in tutte e tre le dimensioni spaziali.

Utilizzando misure di scansione in campo vicino, hanno osservato direttamente le funzioni d'onda a forma di narvalo, catturandone chiaramente la crescita in prossimità della singolarità, seguendo la legge di potenza, e il decadimento esponenziale a intervalli più ampi. Il volume ottenuto è minuscolo: solo 5 × ^{10⁻⁷ λ³} - lambda rappresenta la lunghezza d'onda della luce.

L'esperimento dimostra che l'equazione di dispersione singolare dà origine a funzioni d'onda a forma di narvalo, modalità esotiche che catturano la luce a scale estreme in dielettrici senza perdite, inaugurando quella che il team chiama "singulonica", un nuovo paradigma nanofotonico che consente il confinamento della luce in dimensioni molto più piccole della lunghezza d'onda, nonché il controllo di questa luce senza perdite dovute alla dissipazione.

Questa svolta promette di potenziare finalmente l'elaborazione ultra-efficiente delle informazioni, aprendo nuove strade nell'ottica quantistica e nella microscopia , ampliando la portata dell'imaging a super-risoluzione. In quest'ultimo caso, il team ha già utilizzato il suo esperimento per dimostrare una nuova tecnica di microscopia ottica a scansione in campo vicino, che hanno soprannominato "microscopio ottico singolare", che mostra una risoluzione spaziale senza precedenti di λ/1000.

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