Un equipo del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática Ming Hsieh de la USC ha logrado avances significativos en el campo de la fotónica, logrando un gran avance con la invención de un nuevo dispositivo óptico basado en el nuevo concepto de termodinámica óptica. Su investigación, publicada en Fotónica de la naturalezapresenta un método innovador para controlar y dirigir la luz dentro de sistemas no lineales: sistemas que funcionan independientemente de interruptores, controles externos o comandos digitales. En esta innovadora disposición, la luz fluye de forma natural a través del dispositivo, guiada únicamente por principios termodinámicos fundamentales.
El concepto de enrutamiento no es nuevo; diferentes campos técnicos lo utilizan en diferentes formas. En la ingeniería mecánica, por ejemplo, las válvulas de distribución controlan el flujo de fluido, mientras que en la electrónica, dispositivos como los enrutadores Wi-Fi o los conmutadores Ethernet garantizan que las señales lleguen al destino correcto a través de múltiples entradas. Sin embargo, la creación de un sistema de enrutamiento similar para la luz ha presentado desafíos importantes. Los enrutadores ópticos tradicionales dependen en gran medida de redes de conmutación complejas y controles electrónicos, lo que genera una mayor complejidad y limitaciones en velocidad y rendimiento.
Los investigadores de la Escuela de Ingeniería de Viterbi de la USC han revelado un enfoque alternativo, comparándolo con un laberinto de mármol autoorganizado. Normalmente, guiar una canica requiere ajustes manuales en barreras y caminos; Sin embargo, el diseño innovador de este dispositivo garantiza que no importa dónde caiga una canica, automáticamente rodará hasta su punto final. Este principio autoguiado se aplica a la luz en el nuevo sistema, que intuitivamente encuentra su propio camino según el comportamiento termodinámico.
Las implicaciones de estos avances podrían ir mucho más allá del interés académico y transformar potencialmente varias industrias. A medida que las demandas de la informática moderna y la transferencia de datos superan las capacidades de la electrónica tradicional, empresas, incluidos los principales diseñadores de chips como NVIDIA, están explorando tecnologías ópticas como alternativas más rápidas y con mayor eficiencia energética. La naturaleza autoorganizada de este concepto de termodinámica óptica podría mejorar significativamente estos esfuerzos. Además, las aplicaciones pueden extenderse a las telecomunicaciones, la informática de alto rendimiento y la transmisión segura de información, sentando las bases para sistemas ópticos más simples pero más eficaces.
En el centro de esta innovación está la idea de que los sistemas ópticos multimodo no lineales, que a menudo se consideran caóticos y difíciles de controlar, exhiben un comportamiento complejo que puede explotarse. El equipo de investigación descubrió que la luz se comporta de manera similar a las partículas de gas en equilibrio térmico: las colisiones conducen a una distribución estable de la energía. Esta comprensión condujo al marco conceptual de la «termodinámica óptica», que explica cómo la luz dentro de redes no lineales puede sufrir procesos similares a la expansión, la compresión y las transiciones de fase. Este enfoque proporciona una comprensión coherente del comportamiento autoorganizado de la luz.
En la demostración del equipo. Fotónica de la naturaleza Marca la primera implementación de un dispositivo diseñado utilizando este marco teórico. En lugar de controlar activamente la señal luminosa, el sistema está diseñado de tal manera que la luz puede navegar de forma autónoma. Inspirado en principios termodinámicos, el dispositivo imita una expansión de Joule-Thomson, donde el gas redistribuye la presión y la temperatura hasta que se alcanza el equilibrio térmico. De manera similar, en este dispositivo óptico, la luz pasa por un proceso de dos pasos: expansión óptica seguida de equilibrio, lo que da como resultado una corriente autoorganizada de fotones dirigida al canal de salida designado sin intervención externa.
Al convertir el caos en previsibilidad, la termodinámica óptica allana el camino para una nueva categoría de dispositivos fotónicos que responden (en lugar de oponerse) a la complejidad inherente de los sistemas no lineales. Hediyeh M. Dinani, candidato a doctorado en el laboratorio del Grupo de Óptica y Fotónica, señala: «Además del enrutamiento, este marco podría permitir enfoques completamente nuevos para la gestión de la luz, con implicaciones para el procesamiento de información, las comunicaciones y la exploración de la física fundamental».
Destacando la importancia de esta investigación, el profesor Demetrios Christodoulides, catedrático de Ingeniería Steven y Kathryn Sample en la USC Viterbi, dijo: «Lo que alguna vez se consideró un desafío intratable en óptica se ha replanteado como un proceso físico natural, uno que podría redefinir la forma en que los ingenieros abordan el control de la luz y otras señales electromagnéticas». Este descubrimiento transformador puede presagiar una nueva era en la ingeniería óptica y la fotónica.
