Wetenschappers weten al lang dat synthetische materialen, metamaterialen genaamd, elektromagnetische golven zoals zichtbaar licht kunnen manipuleren om ze te laten gedragen op manieren die niet in de natuur voorkomen. Dat heeft geleid tot doorbraken zoals beeldvorming met superhoge resolutie. Nutsvoorzieningen, UMass Lowell maakt deel uit van een onderzoeksteam dat de technologie van het manipuleren van licht in een nieuwe richting gaat.

Het team, waaronder medewerkers van UMass Lowell, King's College Londen, Paris Diderot University en de University of Hartford hebben een nieuwe klasse van metamateriaal gecreëerd die kan worden "afgestemd" om de kleur van licht te veranderen. Deze technologie kan op een dag optische communicatie op de chip mogelijk maken in computerprocessors, leidt tot kleinere, sneller, goedkopere en energiezuinigere computerchips met grotere bandbreedte en betere gegevensopslag, onder andere verbeteringen. Op-chip optische communicatie kan ook efficiëntere glasvezeltelecommunicatienetwerken creëren.

"De computerchips van tegenwoordig gebruiken elektronen voor computergebruik. Elektronen zijn goed omdat ze klein zijn, " zei Prof. Viktor Podolskiy van de afdeling Natuurkunde en Technische Natuurkunde, wie is de hoofdonderzoeker van het project bij UMass Lowell. "Echter, de frequentie van elektronen is niet snel genoeg. Licht is een combinatie van kleine deeltjes, fotonen genoemd, die geen massa hebben. Als resultaat, fotonen kunnen mogelijk de verwerkingssnelheid van de chip verhogen."

Door elektrische signalen om te zetten in lichtpulsen, on-chip communicatie zal verouderde koperdraden vervangen die te vinden zijn op conventionele siliciumchips, Podolskiy uitgelegd. Dit zal chip-to-chip optische communicatie mogelijk maken en, uiteindelijk, core-to-core communicatie op dezelfde chip.

"Het eindresultaat zou het wegnemen van het communicatieknelpunt zijn, waardoor parallel computing zoveel sneller gaat, " hij zei, eraan toevoegend dat de energie van fotonen de kleur van licht bepaalt. "De overgrote meerderheid van alledaagse voorwerpen, inclusief spiegels, lenzen en optische vezels, kunnen deze fotonen sturen of absorberen. Echter, sommige materialen kunnen meerdere fotonen combineren, wat resulteert in een nieuw foton van hogere energie en van andere kleur."

Podolskiy zegt dat het mogelijk maken van de interactie van fotonen de sleutel is tot informatieverwerking en optisch computergebruik. "Helaas, dit niet-lineaire proces is uiterst inefficiënt en geschikte materialen voor het bevorderen van de fotoninteractie zijn zeer zeldzaam."

Podolskiy en het onderzoeksteam hebben ontdekt dat verschillende materialen met slechte niet-lineaire eigenschappen met elkaar kunnen worden gecombineerd, wat resulteert in een nieuw metamateriaal dat de gewenste state-of-the-art niet-lineaire eigenschappen vertoont.

"De verbetering komt van de manier waarop het metamateriaal de stroom van fotonen hervormt, " zei hij. "Het werk opent een nieuwe richting in het beheersen van de niet-lineaire respons van materialen en kan toepassingen vinden in optische circuits op de chip, de communicatie op de chip drastisch verbeteren."