Gli scienziati della Monash University hanno creato un nuovo minuscolo circuito in grado di generare, dirigere e leggere le informazioni trasportate dalla luce, il tutto all’interno di un singolo chip.
Questo progresso rappresenta un traguardo significativo per un settore di ricerca in espansione noto come “valleytronica”, che potrebbe contribuire a guidare future scoperte in ambito di calcolo più veloce, minore consumo energetico e tecnologie quantistiche.
Sviluppato da ricercatori della Scuola di Fisica e Astronomia della Monash University, il nuovo dispositivo combina nanotecnologie avanzate con materiali all’avanguardia per risolvere una sfida che ha limitato il settore per anni.
Per la prima volta, il team ha realizzato un chip completamente integrato in grado di produrre segnali luminosi specializzati, indirizzarli lungo percorsi specifici e convertirli in segnali elettrici all’interno dello stesso sistema compatto.
Questi segnali immagazzinano informazioni utilizzando una proprietà quantistica chiamata “grado di libertà di valle”. Gli scienziati ritengono che questa caratteristica unica potrebbe fornire modi completamente nuovi per codificare, trasmettere ed elaborare i dati.
Il chip integrato di Valleytronics risolve una sfida di lunga data
Il dottor Chi Li, autore principale dello studio, i cui risultati sono stati pubblicati su Nature Photonics , ha affermato che questo traguardo risolve un ostacolo importante nella ricerca sulla valleytronica.
“Fino ad ora, eravamo in grado di generare o rilevare questi segnali, ma non di fare tutto in un unico dispositivo integrato”, ha affermato il dottor Li.
“Abbiamo realizzato un sistema completo su chip in grado di creare, instradare e leggere queste informazioni con altissima precisione.”
Il dispositivo si basa su materiali ultrasottili, spessi solo pochi atomi. Questi materiali sono abbinati a nanostrutture appositamente progettate per controllare con precisione la luce su scale estremamente ridotte.
Il dottor Kaijian Xing, co-primo autore dello studio e ricercatore presso la Monash University, ha spiegato che il team ha sviluppato un metodo pratico per combinare questi componenti.
“Utilizziamo un approccio di impilamento semplice per integrare materiali ultrasottili con metasuperfici, superando le sfide tecniche della crescita diretta dei materiali su strutture fotoniche e consentendo ulteriori progressi nella valleytronica”, ha affermato il Dr. Xing.
Tecnologia fotonica a temperatura ambiente
Uno dei vantaggi più importanti di questa tecnologia è che funziona a temperatura ambiente. Molti sistemi quantistici richiedono ambienti estremamente freddi, il che li rende più difficili e costosi da utilizzare in applicazioni reali.
Il dottor Haoran Ren, autore senior dello studio, ARC Future Fellow e responsabile del Monash NanoMeta Group, ha affermato che la ricerca potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di dispositivi fotonici compatti, programmabili ed estremamente efficienti.
Secondo il dottor Ren, questa tecnologia potrebbe supportare sistemi di calcolo più veloci, ridurre il consumo energetico e consentire nuovi metodi per comunicazioni sicure ed elaborazione avanzata dei dati.
“Questo rappresenta un passo significativo verso tecnologie scalabili basate su chip che utilizzano la luce anziché l’elettricità per elaborare le informazioni”, ha affermato il dottor Ren.
“I dispositivi fotonici utilizzano la luce per ottenere larghezze di banda enormi, velocità di trasmissione dati ultraveloci e un minore consumo energetico, quindi ciò che abbiamo realizzato ha un forte potenziale per applicazioni nel calcolo quantistico, nell’imaging avanzato e nei sistemi di comunicazione ottica di prossima generazione.”
Elaborazione di flussi di informazioni multipli
Per dimostrare le capacità del chip, i ricercatori sono riusciti a codificare ed elaborare simultaneamente due immagini separate. L’esperimento ha dimostrato che il dispositivo è in grado di gestire più flussi di informazioni contemporaneamente, una caratteristica importante per le future tecnologie informatiche.
Il professor Stefan A. Maier, direttore della Scuola di Fisica e Astronomia e del Laboratorio di Nanofotonica presso la Monash University, ha affermato che questo sviluppo contribuisce a colmare il divario tra le scoperte scientifiche fondamentali e le tecnologie pratiche.
“Questo è un passo importante verso sistemi valleytronici completamente integrati”, ha affermato il professor Maier. “Combinando luce e materiali quantistici su un chip, possiamo accedere a nuovi modi di codificare ed elaborare le informazioni.”
Il progetto internazionale ha riunito ricercatori provenienti da Australia, Cina, Singapore, Germania e Giappone, combinando competenze in nanofotonica, materiali bidimensionali e optoelettronica.
Il team della Monash University comprendeva il dott. Chi Li, il dott. Kaijian Xing, il professor Michael S. Fuhrer, il professor Stefan A. Maier e il dott. Haoran Ren. Ulteriori contributi sono giunti dalla Singapore University of Technology and Design, dalla LMU di Monaco e dalla University of Technology Sydney.
Abstract
In transition metal dichalcogenides, the valley degree of freedom directly couples valley-polarized excitons, excited by circularly polarized light to valley-dependent chiral photons, enabling ultrafast light-driven valleytronics. However, achieving fully integrated valley optoelectronics, incorporating on-chip in situ generation, selective routing and electrical readout of valley-dependent chiral photons, remains an unresolved challenge. Here we present a valley-driven hybrid optoelectronic nanocircuit that integrates chirality-selective meta-waveguide photodetectors with transition metal dichalcogenides. At room temperature, our purposely designed meta-waveguide device generates near-unity valley-dependent chiral photons in the second-harmonic generation from an encapsulated tungsten disulfide monolayer and selectively couples them to unidirectional waveguide modes, achieving an exceptional polarization selectivity of 0.97. These valley-dependent waveguide modes were subsequently detected by atomically thin few-layer tungsten diselenide photodetectors, exclusively responsive to the above-bandgap upconverted photons, thereby enabling all-on-chip processing of valley-multiplexed images. Our demonstration bridges a critical gap in lightwave valleytronics, paving the way for compact, programmable and scalable valley information processing and fostering the development of light-based valleytronic quantum technologies.
Materiale fornito dalla Monash University . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Chi Li, Kaijian Xing, Wenhao Zhai, Luca Sortino, Andreas Tittl, Igor Aharonovich, Michael S. Fuhrer, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Qingdong Ou, Zhaogang Dong, Stefan A. Maier, Haoran Ren. An on-chip programmable valley optoelectronic nanocircuit. Nature Photonics, 2026; DOI: 10.1038/s41566-026-01916-0
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