Con il nuovo dispositivo ottico, gli ingegneri possono ottimizzare il colore della luce

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Shanhui Fan (Credito immagine: Rod Searcey)

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Tra le prime lezioni che ogni studente di scienze della scuola elementare impara c'è che la luce bianca non è affatto bianca, ma piuttosto un composto di molti fotoni, quelle piccole goccioline di energia che compongono la luce, da ogni colore dell'arcobaleno - rosso, arancione, giallo , verde, blu, indaco, viola.

Con il nuovo dispositivo ottico, gli ingegneri possono regolare con precisione il colore della luce

Stanford, CA | Pubblicato il 23 aprile 2021

Ora, i ricercatori della Stanford University hanno sviluppato un dispositivo ottico che consente agli ingegneri di modificare e mettere a punto le frequenze di ogni singolo fotone in un flusso di luce praticamente su qualsiasi miscela di colori desiderino. Il risultato, pubblicato il 23 aprile su Nature Communication, è una nuova architettura fotonica che potrebbe trasformare campi che vanno dalle comunicazioni digitali e dall'intelligenza artificiale al computing quantistico all'avanguardia.

"Questo nuovo potente strumento mette nelle mani dell'ingegnere un grado di controllo che prima non era possibile", ha affermato Shanhui Fan, professore di ingegneria elettrica a Stanford e autore senior dell'articolo.

L'effetto foglia di trifoglio

La struttura è costituita da un filo a bassa perdita per la luce che trasporta un flusso di fotoni che passano come tante macchine su un passaggio trafficato. I fotoni entrano quindi in una serie di anelli, come le rampe in un quadrifoglio autostradale. Ogni anello ha un modulatore che trasforma la frequenza dei fotoni che passano - frequenze che i nostri occhi vedono come colore. Possono esserci tanti anelli quanti sono necessari e gli ingegneri possono controllare con precisione i modulatori per comporre la trasformazione di frequenza desiderata.

Tra le applicazioni che i ricercatori immaginano includono le reti neurali ottiche per l'intelligenza artificiale che eseguono calcoli neurali usando la luce invece degli elettroni. I metodi esistenti che realizzano reti neurali ottiche non cambiano effettivamente le frequenze dei fotoni, ma semplicemente reindirizzano i fotoni di una singola frequenza. L'esecuzione di tali calcoli neurali attraverso la manipolazione della frequenza potrebbe portare a dispositivi molto più compatti, affermano i ricercatori.

"Il nostro dispositivo è un significativo allontanamento dai metodi esistenti con un ingombro ridotto e tuttavia offre una nuova straordinaria flessibilità ingegneristica", ha affermato Avik Dutt, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Fan e secondo autore dell'articolo.

Vedere la luce

Il colore di un fotone è determinato dalla frequenza alla quale il fotone risuona, che, a sua volta, è un fattore della sua lunghezza d'onda. Un fotone rosso ha una frequenza relativamente bassa e una lunghezza d'onda di circa 650 nanometri. All'altra estremità dello spettro, la luce blu ha una frequenza molto più veloce con una lunghezza d'onda di circa 450 nanometri.

Una semplice trasformazione potrebbe comportare lo spostamento di un fotone da una frequenza di 500 nanometri a, diciamo, 510 nanometri o, come lo registrerebbe l'occhio umano, un cambiamento da ciano a verde. Il potere dell'architettura del team di Stanford è che può eseguire queste semplici trasformazioni, ma anche quelle molto più sofisticate con un controllo preciso.

Per spiegare ulteriormente, Fan offre un esempio di un flusso di luce in entrata composto dal 20% di fotoni nell'intervallo di 500 nanometri e dall'80% a 510 nanometri. Utilizzando questo nuovo dispositivo, un ingegnere potrebbe mettere a punto tale rapporto al 73 percento a 500 nanometri e al 27 percento a 510 nanometri, se lo desidera, il tutto preservando il numero totale di fotoni. Oppure il rapporto potrebbe essere tra il 37 e il 63 per cento, del resto. Questa capacità di impostare il rapporto è ciò che rende questo dispositivo nuovo e promettente. Inoltre, nel mondo quantistico, un singolo fotone può avere più colori. In quella circostanza, il nuovo dispositivo consente effettivamente di cambiare il rapporto tra diversi colori per un singolo fotone.

"Diciamo che questo dispositivo consente la trasformazione 'arbitraria', ma ciò non significa 'casuale'", ha detto Siddharth Buddhiraju, che era uno studente laureato nel laboratorio di Fan durante la ricerca ed è il primo autore dell'articolo e che ora lavora per Facebook Reality Labs. “Al contrario, intendiamo che possiamo ottenere qualsiasi trasformazione lineare richiesta dall'ingegnere. C'è una grande quantità di controllo tecnico qui. "

“È molto versatile. L'ingegnere può controllare le frequenze e le proporzioni in modo molto accurato e sono possibili un'ampia varietà di trasformazioni ", ha aggiunto Fan. “Mette nuovo potere nelle mani dell'ingegnere. Come lo useranno dipende da loro. "

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Altri autori includono studiosi post-dottorato Momchil Minkov, ora a Flexcompute, e Ian AD Williamson, ora a Google X.

Questa ricerca è stata sostenuta dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica degli Stati Uniti.

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Contatti:
Tom Abate
650-736-2245

@stanford

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