Per decenni, nel campo della fotonica, il disordine è stato considerato un limite, un disturbo a cui erano legate la dispersione del segnale e la limitazione delle prestazioni dei dispositivi.
Tuttavia, a cambiare questa prospettiva è la ricerca d’avanguardia condotta dai ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia Nicoletta Granchi (prima firmataria) e Gabriele Calusi e la docente di Fisica sperimentale della materia e applicazioni Francesca Intonti.
Pubblicato su Light: Science & Applications (rivista del gruppo Nature) e intitolato “Spectral level repulsion and Lifshitz-like states in hyperuniform disordered photonic networks”, lo studio dimostra come il disordine, se progettato con criteri matematici precisi, possa diventare uno strumento efficace per sfruttare la luce. I ricercatori, inoltre, hanno provato la possibilità di creare materiali “iperuniformi” capaci di unire i vantaggi dei cristalli ordinati alla flessibilità dei sistemi casuali (DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-026-02335-0).
“Esiste un legame diretto tra la geometria della struttura e il comportamento fisico dei fotoni all’interno dei sistemi – spiegano i ricercatori Unifi –. Non parliamo di una situazione di caos totale, ma di strutture denominate Hyperuniform Disordered (HuD), caratterizzate da un ordine nascosto che impedisce agli elementi di addensarsi o lasciare grandi spazi vuoti. È un’organizzazione spaziale che esiste già in natura, nelle retine di alcuni animali, e che permette di ottenere proprietà ottiche un tempo ritenute impossibili al di fuori di sistemi perfettamente regolari”.
La ricerca evidenzia come queste architetture permettano alla luce di comportarsi in modi duali: può diffondersi liberamente in tutta la struttura o rimanere intrappolata in punti minuscoli, a seconda della sua frequenza. Uno dei punti di forza dello studio riguarda la capacità di queste reti di creare un band gap fotonico, ovvero una sorta di “muro invisibile” che impedisce alla luce di passare, trasformando il materiale in uno specchio perfetto.
“Questo fenomeno – aggiungono i ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia – è congiuntamente presente a correlazioni spettrali chiamate level repulsion, ovvero la repulsione dei livelli energetici, una firma tipica dei sistemi quantistici caotici osservata sperimentalmente qui per la prima volta in questo tipo di piattaforme. Il band gap è una proprietà fondamentale per le tecnologie informatiche del domani, poiché permette di gestire gli stati di ‘acceso’ e ‘spento’ (0 e 1) necessari per costruire un hardware fotonico”.
La ricerca, inoltre, ha identificato nuovi stati di luce intrappolata chiamati stati di Lifshitz. “A differenza dei sistemi elettronici, dove questi stati sono imprevedibili, nella fotonica abbiamo dimostrato che essi sono generati da specifici difetti architettonici della rete – proseguono Granchi, Calusi e Intonti –. Questi stati possono persino ‘parlarsi’ e accoppiarsi, formando molecole fotoniche, ossia il primo passo verso la creazione di catene di trasporto della luce estremamente efficienti. In questo modo, si apre la strada a laser casuali più potenti e a nuovi sistemi di filtraggio ottico”.
“Le possibili applicazioni – spiega Granchi – spaziano dai laser random e dai filtri ottici integrati per le telecomunicazioni fino a piattaforme per la fotonica quantistica e il computing neuromorfico. La possibilità di confinare e accoppiare in modo controllato stati localizzati della luce potrebbe consentire la realizzazione di sorgenti di singoli fotoni, memorie ottiche e reti di cavità accoppiate per l’elaborazione di informazioni quantistiche. La fotonica quantistica mira, infatti, a utilizzare i fotoni come portatori di informazione quantistica, sfruttando fenomeni come sovrapposizione ed entanglement per sviluppare tecnologie di comunicazione ultra-sicure, sensori ad altissima sensibilità e futuri computer quantistici”.
“Allo stesso tempo – prosegue Calusi – è il particolare environment hyperuniform che rende questa possibilità di confinamento della luce veramente diversa dallo stato dell’arte. Le reti di stati localizzati e interagenti osservate in questi materiali possono infatti ricordare il funzionamento delle reti neurali biologiche, dove l’informazione emerge dall’interazione di molti elementi semplici. Questo rende le strutture fotoniche hyperuniform particolarmente interessanti per il calcolo neuromorfico, un paradigma che cerca di imitare l’architettura del cervello per eseguire compiti complessi, come riconoscimento di immagini, apprendimento e ottimizzazione, con consumi energetici molto inferiori rispetto ai computer tradizionali.
“In prospettiva – conclude Intonti – materiali che sono disordinati ma progettati statisticamente potrebbero ospitare reti ottiche capaci di elaborare informazioni direttamente tramite la propagazione della luce, combinando velocità elevatissime e basso consumo energetico. In questo scenario, il disordine non rappresenta più un limite da eliminare, ma una nuova risorsa da ingegnerizzare per ottenere funzionalità difficilmente raggiungibili con strutture perfettamente ordinate”.
