I giroscopi sono all’interno di moltissimi prodotti elettronici, dagli smartphone ai droni, fino agli indossabili, e permettono al dispositivo stesso di capire l’orientamento nello spazio tridimensionale. Quando per esempio mettete lo smartphone in orizzontale, e la schermata gira adattandosi alla nuova situazione, è merito del giroscopio.

In principio i giroscopi erano fatti da un rotore a forma di toroide capace di ruotare intorno al suo asse. Oggi gli smartphone sono dotati di un sensore microelettromeccanico (MEMS), l’equivalente moderno di quei giroscopi, che si occupa di misurare i cambiamenti nelle forze che agiscono su due masse identiche che oscillano e si muovono in direzioni opposte. I giroscopi MEMS sono limitati nella loro sensibilità, quindi per averne di più sono stati sviluppati i giroscopi ottici, privi di parti mobili e capaci di un maggior grado di precisione usando un fenomeno chiamato effetto Sagnac.

Questo effetto, il cui nome si deve al fisico francese Georges Sagnac, è un fenomeno ottico 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. La luce viaggia a una velocità costante, quindi la rotazione del dispositivo – e con essa il percorso che percorre la luce – fa sì che uno dei due raggi arrivi al rilevatore prima dell’altro. Con un ciclo continuo su ciascun asse di orientamento, questo spostamento di fase, noto come effetto Sagnac, può essere usato per calcolare l’orientamento.

I giroscopi ottici ad alte prestazioni più piccoli disponibili oggi sono più grandi di una pallina da golf e non sono adatti a molte applicazioni in mobilità. Poiché i giroscopi ottici sono sempre più piccoli, lo è anche il segnale che cattura l’effetto Sagnac, il che rende sempre più difficile il rilevamento del movimento da parte del giroscopio. Ed è proprio questo che finora ha impedito la miniaturizzazione dei giroscopi ottici.

Gli ingegneri della Caltech guidati dal professor Ali Hajimiri hanno sviluppato un nuovo giroscopio ottico che è 500 volte più piccolo dell’attuale stato dell’arte, ed è comunque capace di rilevare sfasamenti che sono 30 volte più piccoli. Il nuovo dispositivo è descritto in un documento pubblicato nel numero di novembre di Nature Photonics.

Il nuovo giroscopio raggiunge queste prestazioni usando una nuova tecnica chiamata “reciprocal sensitivity enhancement“. In questo caso “reciprocal” significa che influisce allo stesso modo su entrambi i raggi di luce all’interno del giroscopio. Poiché l’effetto Sagnac si basa sulla rilevazione di una differenza tra i due fasci mentre viaggiano in direzioni opposte, viene considerato “non reciproco”.

All’interno del giroscopio, la luce viaggia tramite guide d’onda ottiche miniaturizzate (piccoli condotti che trasportano la luce, che svolgono la stessa funzione dei fili elettrici). Le imperfezioni nel percorso ottico che potrebbero influenzare i raggi (ad esempio, fluttuazioni termiche o dispersione di luce) e qualsiasi interferenza esterna influenzeranno entrambi i raggi in modo simile.

Il team di Hajimiri ha trovato un modo per eliminare questo rumore reciproco, lasciando intatti i segnali dell’effetto Sagnac. L’aumento della sensibilità reciproca migliora quindi il rapporto segnale / rumore nel sistema e consente l’integrazione del giroscopio ottico su un chip più piccolo di un chicco di riso, come visibile nella foto sopra.