È ad opera di un team di ingegneri della Caltech (California Institute of Technology) la realizzazione del giroscopio più piccolo del mondo. I giroscopi sono dei dispositivi multifunzionali presenti in numerosi prodotti elettronici, dagli smartphone ai droni, per permettere l’orientamento nello spazio tridimensionale. Quando ad esempio posizioniamo il cellulare in orizzontale per ruotare la schermata del display, quest’azione avviene grazie al giroscopio.
Per potenziare la loro implementazione nella tecnologia che ci circonda, è stato opportuno realizzarne sempre di più piccoli. Queste versioni moderne dei giroscopi vengono chiamate MEMS, cioè sensori microelettromeccanici, presenti negli smartphone di oggi. Tuttavia, i giroscopi MEMS sono limitati nella loro sensibilità, quindi è stato necessario sviluppare anche dei giroscopi ottici che si comportano con una precisione migliore e con l’omissione di parti mobili. Per fare ciò questi dispositivi si basano su un fenomeno denominato effetto Sagnac. Si tratta di un fenomeno ottico che prende il nome dal fisico francese Georges Sagnac e che si ottiene dividendo un fascio di luce in due, facendo viaggiare i fasci gemelli in direzioni opposte lungo un percorso circolare, fino a quando incontrano lo stesso rilevatore di luce. L’incontro tra i due fasci avviene però in momenti diversi, poiché il movimento di rotazione ha ritardato uno dei viaggi del raggio. Lo sfasamento risultante o spostamento di fase, noto appunto come effetto Sagnac, viene utilizzato per calcolare l’orientamento dai giroscopi ottici.
Sebbene si siano rivelati molto utili fino ad oggi, i migliori giroscopi ottici ad alte prestazioni di oggi sono più grandi di una pallina da golf e quindi incompatibili con la maggior parte dell’elettronica portatile odierna. I precedenti tentativi di costruire versioni più piccole di questi dispositivi ad alta precisione hanno sempre portato a un segnale di effetto Sagnac ridotto e quindi a una minore affidabilità e accuratezza. Per questi motivi non era ancora stato possibile effettuare la miniaturizzazione dei giroscopi ottici.
Il team di ingegneri Caltech guidati da Ali Hajimiri, professore di ingegneria elettrica e ingegneria medica, ha trovato un modo per ridurre le dimensioni migliorando allo stesso tempo la precisione. La scoperta è destinata a cambiare per sempre l’uso dei giroscopi ottici, probabilmente rendendoli ancora più popolari e presenti rispetto ai MEMS.
Il nuovo giroscopio ottico realizzato da Caltech è 500 volte più piccolo dei migliori dispositivi odierni ma capace di rilevare sfasamenti 30 volte più piccoli dei device attualmente disponibili. La nuova tecnica con cui è stato possibile raggiungere queste prestazioni è chiamata “reciprocal sensitivity enhancement”, un nuovo metodo intelligente per estirpare il rumore reciproco dei giroscopi ottici senza influenzare i segnali derivati dall’effetto Sagnac. In questo modo, viene migliorato il rapporto segnale/rumore senza ricorrere per forza ad un dispositivo più grande. Il risultato sono giroscopi ottici grandi quanto un chicco di riso con una precisione notevolmente migliorata.
Questo nuovo dispositivo è descritto dettagliatamente in uno studio chiamato “Nanophotonic optical gyroscope with reciprocal sensitivity enhancement”, presente nel numero di novembre di Nature Photonics.
