Ecco il giroscopio più piccolo al mondo: E' grande quanto un chicco di riso

Ecco il giroscopio più piccolo al mondo: E' grande quanto un chicco di riso
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Nell'immagine di copertina, è poggiato su chicchi di riso. E' il giroscopio più piccolo al mondo e nonostante le dimensioni, è più preciso di qualsiasi altro giroscopio ottico mai prodotto. Scopriamo come è possibile tutto ciò.

I giroscopi presenti nei cellulari sono microelettromeccanici (MEMS), che misurano le variazioni di forze che agiscono su due masse identiche che oscillano e si muovono in direzioni opposte. Una variante è rappresentata dai cosidetti "Gas-Bearing Gyroscope", utilizzati ad esempio nel telescopio Hubble. Questi giroscopi MEMS hanno una sensibilità limitata, ragion per cui negli impieghi in cui si richiede alti livelli di precisioni, vengono adoperati giroscopi ottici, sviluppati per svolgere la stessa funzione ma senza parti mobili e con un maggior grado di precisione ottenuto tramite un fenomeno chiamato effetto Sagnac.

Parliamo dell'effetto Sagnac, che prende il nome dal fisico francese Georges Sagnac: E' un fenomeno ottico descritto nella teoria della relatività generale di Einstein. Per crearlo, un fascio di luce viene diviso in due, e questi fasci gemelli viaggiano in direzioni opposte lungo un percorso circolare per poi rincontrarsi. La luce viaggia a velocità costante, quindi una eventuale rotazione del dispositivo (all'interno del quale la luce segue il percorso circolare) fa sì che uno dei due raggi arrivi al rilevatore prima dell'altro. Con un loop su ciascun asse di orientamento, questa variazione di fase nota come effetto Sagnac può essere utilizzata per determinare l'orientamento nello spazio del dispositivo in questione.

Poiché i giroscopi ottici sono sempre più piccoli, il segnale espresso dall'effetto Sagnac rende sempre più difficile il rilevamento del movimento da parte del giroscopio. Ed è proprio questo il motivo per cui la miniaturizzazione dei giroscopi ottici è sempre risultata un problema.

Gli ingegneri della Caltech guidati da Ali Hajimiri, professore di ingegneria elettronica ed ingegneria medica presso la divisione di ingegneria e scienza applicata, hanno sviluppato un nuovo giroscopio ottico che è 500 volte più piccolo rispetto alle dimensioni classiche e nonostante ciò può rilevare variazioni di fase che sono 30 volte più piccole rispetto al passato.

Le prestazioni tanto avanzate di questo dispositivo fanno leva su una nuova tecnica chiamata "miglioramento della sensibilità reciproca". In questo caso, "reciproco" significa che influisce allo stesso modo su entrambi i raggi della luce all'interno del giroscopio. All'interno del giroscopio, la luce viaggia attraverso guide d'onda ottiche miniaturizzate, ovvero piccoli condotti che trasportano la luce, funzionalmente molto simili a dei fili elettrici. Tutte le imperfezioni intrinseche nella guida ottica (ad esempio, fluttuazioni termiche o fenomeni di dispersione di luce) o qualsiasi interferenza esterna possono influenzare entrambi i raggi di luce; La squadra di Hajimiri ha trovato un modo per eliminare questo "rumore" rendendo indisturbati i segnali provenienti dall'effetto Sagnac. L'aumento della sensibilità reciproca migliora quindi il rapporto segnale/rumore e consente l'integrazione del giroscopio ottico su un chip più piccolo di un chicco di riso, come vedete nell'immagine.

Il paper è intitolato "Nanophotonic optical gyroscope with reciprocal sensitivity enhancement", pubblicato su Nature Photonics.

FONTE: phys
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