Giroscópios são dispositivos que ajudam os veículos, drones, e dispositivos eletrônicos portáteis e vestíveis sabem sua orientação no espaço tridimensional. Eles são comuns em quase todas as tecnologias em que contamos todos os dias. Originalmente, giroscópios eram conjuntos de rodas aninhadas, cada um girando em um eixo diferente. Mas abra um telefone celular hoje, e você encontrará um sensor microeletromecânico (MEMS), o equivalente moderno, que mede as mudanças nas forças que agem sobre duas massas idênticas que estão oscilando e se movendo em direções opostas. Esses giroscópios MEMS são limitados em sua sensibilidade, portanto, os giroscópios ópticos foram desenvolvidos para realizar a mesma função, mas sem partes móveis e com um maior grau de precisão usando um fenômeno chamado efeito Sagnac.

O efeito Sagnac, em homenagem ao físico francês Georges Sagnac, é um fenômeno óptico enraizado na teoria da relatividade especial de Einstein. Para criá-lo, um feixe de luz é dividido em dois, e os feixes gêmeos viajam em direções opostas ao longo de um caminho circular, em seguida, encontre-se no mesmo detector de luz. A luz viaja a uma velocidade constante, assim, girar o dispositivo - e com ele o caminho que a luz percorre - faz com que um dos dois feixes chegue ao detector antes do outro. Com um loop em cada eixo de orientação, esta mudança de fase, conhecido como efeito Sagnac, pode ser usado para calcular a orientação.

Os menores giroscópios ópticos de alto desempenho disponíveis hoje são maiores do que uma bola de golfe e não são adequados para muitas aplicações portáteis. Como os giroscópios ópticos são construídos cada vez menores, assim também é o sinal que captura o efeito Sagnac, o que torna cada vez mais difícil para o giroscópio detectar movimento. Até agora, isso impediu a miniaturização dos giroscópios ópticos.

Engenheiros da Caltech liderados por Ali Hajimiri, Bren Professor de Engenharia Elétrica e Engenharia Médica na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas, desenvolveu um novo giroscópio óptico que é 500 vezes menor do que o dispositivo atual de última geração, ainda assim, eles podem detectar mudanças de fase que são 30 vezes menores do que esses sistemas. O novo dispositivo é descrito em um artigo publicado na edição de novembro da Nature Photonics .

Como funciona

O novo giroscópio do laboratório de Hajimiri atinge esse desempenho aprimorado usando uma nova técnica chamada "aumento da sensibilidade recíproca". Nesse caso, "recíproco" significa que afeta ambos os feixes de luz dentro do giroscópio da mesma maneira. Uma vez que o efeito Sagnac depende da detecção de uma diferença entre os dois feixes conforme eles viajam em direções opostas, é considerado não recíproco. Dentro do giroscópio, a luz viaja através de guias de ondas ópticas miniaturizadas (pequenos conduítes que transportam luz, que desempenham a mesma função que os fios fazem para a eletricidade). Imperfeições no caminho óptico que podem afetar os feixes (por exemplo, flutuações térmicas ou dispersão de luz) e qualquer interferência externa afetará ambos os feixes de forma semelhante.

A equipe de Hajimiri encontrou uma maneira de eliminar esse ruído recíproco, deixando os sinais do efeito Sagnac intactos. O aumento da sensibilidade recíproca, portanto, melhora a relação sinal-ruído no sistema e permite a integração do giroscópio óptico em um chip menor do que um grão de arroz.

O artigo é intitulado "Giroscópio óptico nanofotônico com aprimoramento de sensibilidade recíproca".