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Il futuro delle comunicazioni ottiche potrebbe non essere più legato a doppio filo con quello della fibra ottica realizzata in silice. Un team di ricercatori dell'Università di Purdue (La Fayette, Stato dell'Indiana, Stati Uniti) ha realizzato un nuovo materiale (plasmonico, ottenuto drogando con alluminio l'ossido di zinco) le cui caratteristiche chimico-fisiche permettono di controllare la quantità di luce riflessa (e quindi aumentarla o diminuirla) del 40% utilizzando una frazione minima di energia richiesta da altri materiali all-optical (come ad esempio la già citata fibra ottica). Ciò permetterebbe di creare dispositivi di comunicazione ottica dieci volte più veloci rispetto a quelli oggi in commercio.
Come funzionano le comunicazioni ottiche
Per capire l'importanza di questa scoperta, però, bisogna prima comprendere cosa sia e come funzioni la comunicazione ottica. Per farlo si può prendere ad esempio la comunicazione via fibra ottica. In un sistema comunicativo connesso tramite cavi di fibra ottica i dati sono trasmessi modulando l'intensità luminosa un fascio di luce laser, fatto "rimbalzare" (attraverso il fenomeno della rifrazione) all'interno di un filamento di ossido di silicio (silice). Nel caso non ci siano interferenze e non si incontrino impedimenti fisici di qualunque genere (un caso "perfetto" e puramente teorico) il fascio di luce può viaggiare a 300.000 chilometri al secondo (ovvero alla velocità della luce), coprendo così distanze lunghissime in breve tempo.
La capacità di trasporto dati di un cavo di fibra ottica è quindi data dalle proprietà riflettenti del materiale utilizzato e dalla possibilità di modulare a proprio piacimento l'intensità del fascio di luce che lo attraversa. A seconda della risposta del materiale ottico utilizzato alle diverse sollecitazioni luminose (ad esempio alle variazioni di intensità del fascio laser) si avrà una maggiore o minore capacità del cavo di fibra ottica di trasportare le informazioni.
L'ossido di zinco drogato
Nei test condotti dagli scienziati della Purdue University, il materiale plasmonico di ossido di zinco drogato con alluminio ha ottenuto ottimi risultati proprio nella capacità di rifrazione. In particolare, come detto, il materiale utilizzato dai ricercatori statunitensi è in grado di modulare la rifrazione del fascio di luce anche del 40%, permettendo di raggiungere altissime frequenze nella trasmissione dati (anche nell'ordine dei terahertz) impiegando una quantità di energia minima rispetto ad altre soluzioni all-optical.
Si dicono all-optical quelle strutture in cui tutti gli elementi sono costituiti da materiali in grado di trasmettere segnali luminosi, al contrario delle strutture non all-optical in cui almeno alcuni elementi, in genere quelli che fungono da raccordo tra "spezzoni" di fibra ottica, trasmettono i segnali utilizzando elettroni (quindi con velocità decisamente inferiori rispetto ai fotoni).
Le strutture all-optical si distinguono quindi dalle altre perché permettono di controllare il sistema comunicativo senza che ci sia bisogno di inviare segnali elettrici di alcun tipo. Sia le informazioni sia i comandi per il controllo della corretta funzionalità del sistema, infatti, sono inviati sotto forma di segnali luminosi, permettendo così di abbattere il consumo di energia elettrica. Se, ad esempio, il gestore della rete ha la necessità di verificare l'esattezza dei dati che transitano lungo le dorsali di fibra ottica oppure testare un router situato a decine di chilometri di distanza, potrà sfruttare un canale comunicativo "parallelo" a quello utilizzato per inviare i dati ed effettuare i controlli con il solo supporto degli impulsi luminosi.
Metamateriali
In gergo tecnico, l'ossido di zinco utilizzato dagli scienziati della Purdue University è definito metamateriale. Questo perché, a differenza di altri materiali presenti in natura, possiede caratteristiche peculiari come quello di permettere di controllare l'indice di rifrazione della luce, così da rendere possibile aumentare o diminuire le sue capacità di assorbire il fascio di fotoni associati al raggio laser che lo attraversa.
A differenza dei materiali naturali, i metamateriali permettono di ridurre l'indice di rifrazione anche al di sotto del valorei 1 sfruttando una nube di elettroni chiamati plasmoni di superficie. Il plasmone, dunque, permette all'ossido di zinco drogato con alluminio di riflettere quasi interamente il fascio di luce laser che lo colpisce e ottenere così prestazioni mai viste prima.
Non solo telecomunicazioni
La scoperta del team di ricerca statunitense può avere importanti ripercussioni non solo nel campo delle comunicazioni ottiche a distanza. Il materiale plasmonico derivante dall'ossido di zinco drogato, infatti, è realizzato con un processo produttivo compatibile con quello dei CMOS (acronimo di complementary metal–oxide–semiconductor) utilizzati per realizzare circuiti integrati. Questa scoperta, dunque, apre una nuova strada verso la realizzazione di un processore ottico in grado di migliorare in maniera esponenziale le performance di qualunque sistema informatico.
Un transistor ottico realizzato con materiali plasmonici all-optical (come l'ossido al centro dello studio degli scienziati della Purdue University) permetterebbe di realizzare computer e altri dispositivi informatici più veloci di almeno un ordine di grandezza (ovvero 10 volte) rispetto a quelli oggi in commercio.
