El funcionamiento de la tecnología moderna requiere un uso cada vez mayor de señales de frecuencia de banda ancha. Esta, Sucesivamente, ha aumentado la demanda de productos fiables, métodos eficientes de transmisión de señales que eviten interferencias y sean más eficientes en su uso del espectro de frecuencias escasamente disponible. Estos requisitos están limitados, sin embargo, por reciprocidad, una ley de la física que obliga a que la transmisión de la luz sea idéntica en direcciones opuestas.

En décadas pasadas, Los científicos e ingenieros han abordado estos desafíos con la creación de aisladores:dispositivos que utilizan un campo magnético externo para obligar a las ondas de luz a viajar en una sola dirección. Pero esta forma de aislamiento de ondas es costosa, y requiere el uso de grandes imanes pesados ​​que exigen una gran cantidad de espacio en el dispositivo. Un inconveniente adicional es que no se pueden integrar en circuitos y sistemas basados ​​en silicio.

En el artículo de portada publicado en la Electrónica de la naturaleza , Investigadores del Advanced Science Research Center (ASRC) del Graduate Center de la City University of New York (CUNY) y de la University of Texas en Austin detallan el desarrollo de un nuevo método de aislamiento de ondas de luz que puede superar estos desafíos. El enfoque innovador no requiere imanes ni ninguna otra forma de "sesgo externo" para una transmisión de ondas confiable. sin embargo, asegura un aislamiento de ancho de banda amplio altamente eficiente.

"Llevamos unos años trabajando para superar la reciprocidad sin imanes, "dijo Andrea Alù, director de la Iniciativa Fotónica de la ASRC y profesor de Física Einstein en el Centro de Graduados. "En el pasado, hemos explorado el uso de dispositivos con elementos móviles o que cambian el tiempo, pero estos enfoques plantean otros desafíos tecnológicos. En este papel, demostramos que un dispositivo no magnético libre de una fuente de alimentación externa, gracias a no linealidades adaptadas de manera adecuada, puede romper drásticamente la simetría de transmisión y lograr un aislamiento de banda ancha eficiente ".

En su papel los investigadores explican por qué los intentos anteriores de utilizar no linealidades para inducir el aislamiento enfrentaron un rendimiento deficiente. Alù y su equipo muestran que cualquier sistema basado en un solo resonador no lineal para aislar ondas está inherentemente limitado por una compensación de calidad entre el nivel de aislamiento, banda ancha, y pérdida de inserción, haciendo que cualquier dispositivo de este tipo tenga un rendimiento deficiente y sea poco práctico. En sus experimentos más recientes, el equipo ha podido superar y abordar este problema utilizando dos resonadores no lineales cuidadosamente diseñados conectados a través de una línea de retardo, mostrando que esta es la configuración mínima para permitir la transmisión unidireccional de baja pérdida en un ancho de banda amplio. Los componentes combinados, que estaban impresos en una placa de circuito, formó una muy eficaz, aislador totalmente pasivo que proporciona una excelente integridad de la señal.

"Nuestro gran avance fue darnos cuenta de que el bajo rendimiento de todos los intentos anteriores de construir aisladores no lineales residía en una limitación derivada de la simetría de inversión del tiempo, y que tenemos que encontrar una forma de sortear este desafío, "dijo Dimitrios Sounas, autor principal del estudio e investigador científico de la Universidad de Texas. "Asombrosamente, cuando dos resonadores no lineales están cuidadosamente diseñados y acoplados, se puede lograr lo mejor de ambos mundos:transmisión total y aislamiento infinito ".

El equipo anticipa que los hallazgos pueden encontrar uso en una variedad de tecnologías, incluida la electrónica de consumo, láseres quirúrgicos, sistemas de radar y lidar de automoción y circuitos y sistemas nanofotónicos. La siguiente etapa de investigación investigará una variedad de enfoques para ajustar la funcionalidad del aislador, incluyendo la posibilidad de agregar tipos adicionales de resonadores no lineales para realizar circuladores y otros dispositivos multipuerto.