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TECH INSIGHT NEWS TECHNOLOGIES 20 - ELETTRONICA OGGI 494 - MAGGIO 2021 L’effetto Hall quantistico per superare i limiti nelle comunicazioni Francesco Ferrari L’effetto Hall quantistico è sostanzialmente l’analogo quantistico del noto effetto Hall che coinvolge elettroni confinati su un piano bidimensionale soggetto a un campo magnetico perpendicolare, e alcuni studi hanno di- mostrato la possibilità di osservare questo effetto anche in un sistema fotonico, basato cioè su quanti di luce (i fotoni). I ricercatori dell’ Università di Berkeley hanno annunciato di aver trovato un nuovo modo per sfruttare le pro- prietà delle onde luminose che può aumentare radicalmente la quantità di dati che vengono trasportano proprio utilizzando questo effetto. Con l’attuale esplosione della quantità di dati utilizzati infatti, i sistemi di comunicazione che abbiamo attualmen- te saranno presto insufficienti, ma la tecnologia su cui stanno lavorando i ricercatori dell’Università di Berkeley è in grado di superare gli attuali limiti sfruttando una caratteristica della luce chiamata momento angolare orbitale (orbitalangularmomentum o OAM). Questa proprietà della luce ha attirato l’attenzione degli scienziati appunto per le sue potenzialità: un modo per pensare all’OAM è paragonarlo, con tutti le ovvie differenze, a un vortice di un tornado. La sfida è stata trovare un modo per produr- re in modo affidabile i fasci OAM dato che nessuno ne aveva mai prodotto prima con cariche così elevate in un dispositivo com- patto. I ricercatori hanno iniziato con un’antenna, uno dei componenti più importanti dell’e- lettromagnetismo, che conserva le sue pro- prietà essenziali anche quando il dispositi- vo viene piegato o curvato. Per realizzare questa particolare antenna, i ricercatori hanno utilizzato la litografia a fa- scio di elettroni per incidere uno schema a griglia su un materiale semiconduttore e poi hanno unito la struttura su una superficie a base di ferro e ittrio. I ricercatori hanno pro- gettato la griglia per formare pozzi quantici in uno schema con tre cerchi concentrici (il più grande di circa 50 micron di diametro) per intrappolare i fotoni. Il progetto ha crea- to le condizioni per supportare il fenomeno dell’effetto Hall quantistico fotonico, che costringe la luce a viaggiare in una sola direzione negli anelli. Applicando un campo magnetico perpendicolare alla loro microstruttura bidimensionale, i ricercatori hanno generato con successo tre raggi laser OAM che viaggiavano in orbite circolari sopra la superficie. Lo studio ha inoltre dimostrato che i raggi laser avevano numeri quantici pari a 276, riferiti al numero di volte in cui la luce ruotava attorno al proprio asse in una lunghezza d’onda. Avere numeri quantici elevati, precisano i ricercatori, è sostanzialmente equivalente ad avere più lettere nell’al- fabeto da usare per comunicare. Nel loro studio i ricercatori hanno dimostrato questa capacità alle lunghezze d’onda usate tipicamente per le telecomunicazioni, ma in linea di principio può essere adattata anche ad altre bande di frequenza. Anche se sono stati creati solo tre raggi laser, moltiplicando la velocità dei dati per tre, non c’è limite al numero possibile di raggi e alla capacità dei dati utilizzabile con questa tecnologia. I ricercatori dell’Università di Berkeley hanno dimostrato l’emissione di fasci laser con antenne costituite da anelli concentrici abbastanza piccoli da essere posizionati su chip di computer (Fonte: Università di Berkeley)