Een team onder leiding van Sandia National Laboratories heeft voor het eerst optica in plaats van elektronica gebruikt om een ​​nanometer dik dunnefilmapparaat om te schakelen van volledig donker naar volledig transparant. of licht, met een snelheid van biljoenste van een seconde.

Het team onder leiding van hoofdonderzoeker Igal Brener publiceerde een Natuurfotonica paper dit voorjaar met medewerkers van de North Carolina State University. Het document beschrijft het werk aan optische informatieverwerking, zoals schakelen of lichtpolarisatiecontrole met licht als controlestraal, bij terahertz-snelheden, een tarief dat veel sneller is dan wat vandaag de dag met elektronische middelen kan worden bereikt, en een kleinere totale apparaatgrootte dan andere volledig optische schakeltechnologieën.

Elektronen die ronddraaien in apparaten zoals die worden gebruikt in telecommunicatieapparatuur, hebben een snelheidslimiet vanwege een langzame oplaadsnelheid en slechte warmteafvoer, dus als aanzienlijk sneller werken het doel is, elektronen mogelijk moeten wijken voor fotonen.

Om fotonen effectief te gebruiken, de techniek vereist een apparaat dat met terahertz-snelheden van volledig licht naar volledig donker gaat. Vroeger, onderzoekers konden de noodzakelijke contrastverandering van een optische schakelaar niet krijgen met de snelheid die nodig is in een klein apparaat. Eerdere pogingen leken meer op het dimmen van een licht dan het uitschakelen ervan, of licht nodig om een ​​lange afstand af te leggen.

De doorbraak toont aan dat het mogelijk is om volledig optische schakeling met hoog contrast te doen in een zeer dun apparaat. waarbij lichtintensiteit of polarisatie optisch wordt geschakeld, zei Yuanmu Yang, een voormalig postdoctoraal medewerker van Sandia Labs die werkte bij het Center for Integrated Nanotechnologies, een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy die gezamenlijk wordt beheerd door de nationale laboratoria van Sandia en Los Alamos. Het werk is gedaan bij CINT.

"In plaats van een stroom aan en uit te zetten, het doel zou zijn om het licht veel sneller aan en uit te doen dan wat tegenwoordig haalbaar is, ' zei Yang.

Snellere informatieverwerking belangrijk in communicatie, natuurkundig onderzoek

Een zeer snel en compact schakelplatform opent een nieuwe manier om fundamentele natuurkundige problemen te onderzoeken. "Veel fysieke processen gaan eigenlijk heel snel, met een snelheid van een paar terahertz, " Yang zei. "Met dit hulpmiddel kunnen we de dynamiek van fysieke processen zoals moleculaire rotatie en magnetische spin bestuderen. Het is belangrijk voor onderzoek en om kennis verder te brengen."

Het zou ook kunnen werken als een snelle polarisatieschakelaar - polarisatie verandert de kenmerken van licht - die zou kunnen worden gebruikt in biologische beeldvorming of chemische spectroscopie, zei Brenner. "Soms doe je metingen waarbij je de polarisatie van licht heel snel moet veranderen. Ons apparaat kan ook zo werken. Het is ofwel een absolute schakelaar die aan en uit gaat of een polarisatieschakelaar die alleen de polarisatie van licht schakelt."

Ultrasnelle informatieverwerking "is belangrijk bij informatica, telecommunicatie, signaalverwerking, beeldverwerking en in scheikunde- en biologie-experimenten waar je heel snel wilt schakelen, "Zei Brener. "Er zijn enkele op laser gebaseerde beeldvormingstechnieken die ook baat zullen hebben bij snel schakelen."

De ontdekking van het team kwam voort uit onderzoek dat werd gefinancierd door de Basic Energy Sciences van het Energy Department, Afdeling Materiaalwetenschappen en Engineering, Dat, onder andere, laat Sandia licht-materie-interactie en verschillende concepten in nanofotonica bestuderen.

"Dit is een voorbeeld waar het gewoon organisch is gegroeid van fundamenteel onderzoek naar iets dat een geweldige prestatie heeft, "zei Brener. "Ook, we hadden het geluk dat we een samenwerking hadden met de North Carolina State University. Ze hadden het materiaal en we realiseerden ons dat we het voor dit doel konden gebruiken. Het werd niet gedreven door een toegepast project; het was andersom."

Techniek maakt gebruik van laserstralen om informatie te dragen, apparaat wisselen

De techniek maakt gebruik van twee laserstralen, een met de informatie en de tweede om het apparaat aan en uit te zetten.

De schakelbundel gebruikt fotonen om elektronen in halfgeleiders op te warmen tot temperaturen van enkele duizenden graden Fahrenheit, waardoor het monster niet zo heet wordt, maar de optische eigenschappen van het materiaal drastisch veranderen. Het materiaal ontspant ook bij terahertz-snelheden, in een paar honderd femtoseconden of in minder dan een biljoenste van een seconde. "Dus we kunnen dit materiaal met een snelheid van een paar biljoen keer per seconde in- en uitschakelen, ' zei Yang.

Sandia-onderzoekers zetten de optische schakelaar aan en uit door iets te creëren dat een plasmonische holte wordt genoemd, die het licht beperkt tot enkele tientallen nanometers, en verhoogt de interactie tussen licht en materie aanzienlijk. Door een speciaal plasmonisch materiaal te gebruiken, gedoteerd cadmiumoxide uit de staat North Carolina, ze bouwden een hoogwaardige plasmonische holte. Het opwarmen van elektronen in het gedoteerde cadmiumoxide verandert de opto-elektrische eigenschappen van de plasmonische holte drastisch, moduleren van de intensiteit van het gereflecteerde licht.

Traditionele plasmonische materialen zoals goud of zilver zijn nauwelijks gevoelig voor de optische controlestraal. Door er een straal op te laten schijnen, verandert hun eigenschappen niet van licht naar donker of omgekeerd. De optische controlestraal, echter, verandert de gedoteerde cadmiumoxide holte zeer snel, het regelen van de optische eigenschappen als een aan-uitschakelaar.

De volgende stap is uitzoeken hoe elektrische pulsen in plaats van optische pulsen kunnen worden gebruikt om de schakelaar te activeren, aangezien een volledig optische benadering nog steeds grote apparatuur vereist, zei Brenner. Hij schat dat de werkzaamheden drie tot vijf jaar kunnen duren.

"Voor praktische doeleinden je moet miniaturiseren en dit elektrisch doen, " hij zei.

De auteurs van het artikel zijn Yang, Brenner, Salvatore Campione, Willie Luk en Mike Sinclair bij Sandia Labs en Jon-Paul Maria, Kyle Kelley en Edward Sachet in de staat North Carolina.