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In un mondo sempre più connesso e sempre più wireless, la corsa alle prestazioni delle reti Wi-Fi si scontra con i limiti fisici e con l'affollamento delle frequenze. Già oggi in molti paesi, Italia compresa, le emittenti televisive hanno dovuto rinunciare alla famosa "banda 800" (detta anche "banda 20") del digitale terrestre per cedere tale frequenza al 5G. In futuro si possono prevedere sempre più casi del genere tanto che la scienza sta cercando di valicare i limiti delle attuali frequenze sconfinando oltre lo spettro radio.
Il vicino di casa delle frequenze radio a cui tutti guardano sono le microonde, che possono essere utilizzate (e già in parte lo sono) per le telecomunicazioni. Ha seguito questa strada, ad esempio, un team di ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) formato da Marco Piccardo, Michele Tamagnone, Benedikt Schwarz, Paul Chevalier, Noah A. Rubin, Yongrui Wang, Christine A. Wang, Michael K. Connors, Daniel McNulty, Alexey Belyanin e Federico Capasso.
La radio ibrida
Gli scienziati hanno utilizzato per la prima volta un laser a semiconduttore per inviare e ricevere segnali radio attraverso le microonde. Si tratta del primo dispositivo ibrido elettronico-fotonico: un laser viene utilizzato per generare e trasmettere segnali nella banda delle microonde, con una velocità di trasmissione dati che fa già sognare il Wi-Fi ad altissima velocità, il cosiddetto "terahertz Wi-Fi" che sfrutta le frequenze all'estremità inferiore della fascia degli infrarossi, al confine con la banda di frequenze delle microonde, e che promette velocità di trasmissione anche 100 volte superiori a quelle attualmente previste per il 5G.
Questa scoperta nasce da precedenti lavori dello stesso team, datati 2017 e 2018, e si basa sull'utilizzo non di un laser comune a singola frequenza ma su un "pettine di frequenze" laser a infrarossi. Un laser normale genera luce ad una singola frequenza, che possiamo paragonare alla nota singola di uno strumento musicale. Un pettine di frequenze laser invece è come se fosse un accordo: un insieme di note singole ma contemporanee. Il laser, in questo caso, produce raggi multipli ognuno con una frequenza diversa. Ogni raggio è equamente distanziato dall'altro, come i denti di un pettine.
Nel 2018, il team SEAS scoprì che i "denti" del pettine laser potevano essere usati in risonanza tra loro, facendo oscillare gli elettroni presenti nella cavità del laser con frequenze tipiche delle microonde, che si trovano proprio in mezzo tra le frequenze radio e quelle dell'infrarosso. Ora i ricercatori hanno trovato un modo per estrarre e trasmettere segnali wireless da "pettini" a frequenza laser tramite le microonde. In estrema sintesi: passando per le microonde, un "pettine" laser può trasmettere un segnale radio che può essere captato da una antenna e decodificato come un segnale radio normale.
Wi-Fi ultraveloce
"Questo dispositivo integrato e all-in-one è molto promettente per la comunicazione wireless - afferma Marco Piccardo, fellow postdoctoral del SEAS - Anche se il sogno della comunicazione wireless terahertz è ancora lontano, questa ricerca fornisce una chiara tabella di marcia che mostra come arrivarci". Federico Capasso, altro membro del team di ricerca, spiega che "Un pettine a frequenza infrarossa in un laser a cascata quantica potrebbe essere utilizzato per generare frequenze di terahertz, le lunghezze d'onda submillimetriche dello spettro elettromagnetico che potrebbero spostare i dati centinaia di volte più velocemente rispetto al wireless di oggi. Questa ricerca apre la porta a nuovi tipi di dispositivi ibridi elettronico-fotonici ed è il primo passo verso il Wi-Fi ad altissima velocità".
La scoperta del team di scienziati è talmente interessante e applicabile alle telecomunicazioni reali di tutti i giorni che l'Office of Technology Development di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale relativa a questo progetto e ne sta già esplorando le opportunità di commercializzazione. Infine, una piccola curiosità: il primo esperimento riuscito di trasmissione ibrida al laser è stata la trasmissione della canzone "Volare", nella versione cantata da Dean Martin.
