Een internationaal team van onderzoekers van de Staatsuniversiteit van Moskou (Rusland), Sandia National Laboratories (VS), en de Friedrich-Schiller University (Duitsland) hebben een ultrasnel afstembaar metamateriaal ontwikkeld op basis van galliumarsenide-nanodeeltjes. Hun studie werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Het nieuwe optische metamateriaal maakt de weg vrij voor ultrasnelle informatieoverdracht op nanoschaal.

Optische metamaterialen zijn door de mens gemaakte media die door nanostructurering ongebruikelijke optische eigenschappen krijgen. Al bijna 20 jaar, onderzoekers hebben veel op metamateriaal gebaseerde apparaten ontworpen, inclusief degenen die objecten verbergen tot degenen die gevoelig zijn voor minuscule concentraties van stoffen. Echter, bij fabricage, metamateriaaleigenschappen blijven vast. Het team bedacht een manier om metamaterialen "aan" en "uit" te zetten, " en doe het heel snel - meer dan 100 miljard keer per seconde.

Onderzoekers fabriceerden het metamateriaal uit een dunne galliumarsenidefilm door middel van elektronenstraallithografie met daaropvolgend plasma-etsen. Het materiaal bestaat uit een reeks halfgeleider nanodeeltjes, die licht op nanoschaal resonant kan concentreren en "vasthouden". Met andere woorden, wanneer het licht het metamateriaal verlicht, het zit "opgesloten" in de nanodeeltjes en werkt er efficiënter mee samen.

Het werkingsprincipe van het ultrasnel afstembare metamateriaal ligt in het genereren van elektron-gatparen. In de stabiele toestand, het metamateriaal is reflecterend. Vervolgens, onderzoekers belichten het metamateriaal met een ultrakorte laserpuls. Zijn energie wordt gebruikt om elektronen en elektronvacatures - "gaten" - in het materiaal te genereren. De aanwezigheid van elektronen en gaten verandert de eigenschappen van het metamateriaal zodanig dat het niet meer reflecterend is. In een fractie van een seconde, elektronen en gaten verdwijnen door elkaar te ontmoeten, en het metamateriaal is weer reflecterend. Op deze manier, het is mogelijk om optische logische elementen te construeren, wat ook de mogelijkheid opent om ultrasnelle optische computers te maken.

in 2015, een deel van dezelfde samenwerking rapporteerde een soortgelijk apparaat op basis van silicium nanostructuren. In hun nieuwe studie galliumarsenide werd gebruikt in plaats van silicium, waardoor de efficiëntie van het regelen van licht via licht in metamaterialen met een orde van grootte toenam.

In de toekomst, het onderzoek zou het mogelijk kunnen maken om apparaten voor informatieoverdracht te maken met verwerkingssnelheden van tientallen en honderden terabits per seconde. De demonstratie van zeer efficiënte afstembare halfgeleidermetamaterialen is een belangrijke stap in de richting van dergelijke informatieverwerkingssnelheden.