Optische schakelaars maken het mogelijk om informatie te verzenden met behulp van licht, die nuttig zal zijn voor de ontwikkeling van ultrasnelle optische geheugencellen in de toekomst. Met behulp van een femtoseconde laser die gewoonlijk in de chemie wordt gebruikt voor gasabsorptie, Wetenschappers van de ITMO University hebben aangetoond hoe ze een volledig optische schakelaar kunnen maken op basis van een metaal-organisch raamwerk dat in vitro kan worden gesynthetiseerd. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie .

Huidige apparaten zenden informatie uit op basis van de beweging van elektronen. Verwacht wordt dat computerelementen die op fotonen werken sneller zullen werken, efficiënter, en verbruiken minder energie. Maar om optisch computergebruik te realiseren, het is noodzakelijk om een ​​aantal theoretische en technische problemen op te lossen. Een daarvan is het bereiken van betrouwbare, energiezuinige en goedkope lichtregeling.

"Alle hedendaagse digitale elektronica is gebouwd op zogenaamde triggers, " legt Nikita Kulachenkov uit, een junior onderzoeksmedewerker aan de ITMO University en een van de auteurs van het artikel. "Dit zijn apparaten om te schakelen tussen twee toestanden, nul en één. Voor optische apparaten die in de toekomst onze elektronische apparaten zouden kunnen vervangen, we hebben ook een speciale schakelaar nodig."

Een van de opties voor zo'n switch komt in de vorm van metal-organic frameworks (MOF's). Dit is een klasse van functionele materialen die de eigenschappen van kristalroosterstoffen en organische verbindingen combineren. Maar voor de ontwikkeling van optische computerapparatuur, het belangrijkste aspect is dat sommige MOF's speciale fotochrome verbindingen bevatten die hun optische eigenschappen kunnen veranderen bij blootstelling aan licht. Dit proces, echter, vindt meestal plaats over een relatief lange periode, van enkele minuten tot meerdere dagen, wat aanzienlijke beperkingen stelt aan de praktische toepassing van structuren als switchers.

Een groep wetenschappers van het Russisch-Franse laboratorium van de ITMO University, onder leiding van Valentin Milichko, sloegen een andere weg in:de onderzoekers gebruikten standaard metaal-organische raamwerken die geen fotochrome verbindingen bevatten en al heel lang in de chemische industrie worden gebruikt. "We hebben besloten om een ​​groep MOF's te gebruiken die de eigenschap aantonen om hun structuur te veranderen onder externe stimuli zoals druk, temperatuur en anderen, " zegt Nikita Kulachenkov. "Onder deze metaal-organische kaders was HKUST-1. Het was zeer goed onderzocht op het gebied van gasabsorptie, maar niemand had ooit kunnen denken dat zijn eigenschappen, en bijgevolg, zijn structuur, aanzienlijke veranderingen kunnen ondergaan bij blootstelling aan licht."

Experimenten met HKUST-1 metaal-organische raamwerken hebben aangetoond dat wanneer ze worden blootgesteld aan een ultrakorte puls van een infraroodlaser, deze MOF begint ineens minder licht door te laten. "Het aantal fotonen dat door de MOF gaat, nam ongeveer 100 keer af, " legt Nikita Kulachenkov uit. "De omschakelperiode bedroeg enkele tientallen milliseconden. Dit is twee tot drie bestellingen beter dan de bestaande op MOF gebaseerde biologische systemen."

De onderzoekers ontdekten dat de femtoseconde-impact gegenereerd door de infraroodlaser, in werkelijkheid, genoeg om het water uit het metaal-organische raamwerk te verdampen. De MOF wordt minder transparant voor het door laser uitgestraalde licht. Maar als het licht eenmaal uit is, het frame absorbeert watermoleculen uit de lucht en keert terug naar zijn oorspronkelijke staat.