Elektronica wordt steeds vaker gekoppeld aan optische systemen, zoals bij toegang tot internet op een elektronisch geleide computer via glasvezelkabels.

Maar meshing-optiek - die afhankelijk is van lichtdeeltjes die fotonen worden genoemd - met elektronica - die afhankelijk is van elektronen - is een uitdaging, vanwege hun ongelijksoortige schalen. Elektronen werken op een veel kleinere schaal dan licht. De mismatch tussen elektronische systemen en optische systemen betekent dat elke keer dat een signaal van het ene naar het andere signaal wordt omgezet, inefficiëntie sluipt het systeem binnen.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van een wetenschapper van Purdue University heeft een manier gevonden om efficiëntere metamaterialen te maken met behulp van halfgeleiders en een nieuw aspect van de natuurkunde dat de activiteit van elektronen versterkt. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift optiek .

Deze nieuwe klasse materialen heeft het potentieel om de resolutie in medische scanning en wetenschappelijke beeldvorming drastisch te verhogen en de grootte van supercomputers drastisch te verminderen, een toekomst creëren waarin wetenschappers kleine dingen veel gedetailleerder kunnen zien en apparaten kleiner en krachtiger zijn.

Wetenschappers hebben tientallen jaren gewerkt om fotonen te verkleinen tot een nanometerschaal om ze meer compatibel te maken met elektronen - een veld dat bekend staat als nanofononics. Dit kan met behulp van ijle materialen en dure productietechnieken om zogenaamde hyperbolische materialen te maken. Hyperbolische materialen gebruiken, wetenschappers kunnen fotonen verkleinen door het licht te comprimeren, waardoor het gemakkelijker wordt om te communiceren met elektrische systemen.

Jevgenii Narimanov, een theoretisch fysicus en professor in elektrische en computertechniek aan Purdue, uitgelegd, "Het belangrijkste van hyperbolische materialen is dat ze licht tot bijna elke schaal kunnen comprimeren. Als je licht klein kunt maken, je lost het probleem van de ontkoppeling tussen optica en elektronica op. Dan kun je heel efficiënte opto-elektronica maken."

Het probleem ligt in het creëren van deze hyperbolische materialen. Ze bestaan ​​meestal uit verweven lagen van metalen en diëlektrica, en elk oppervlak moet op atomair niveau zo glad en foutloos mogelijk zijn, iets dat moeilijk is, tijdrovend en duur.

De oplossing, Narimanov gelooft, inclusief halfgeleiders. Niet, hij benadrukte, vanwege iets speciaals aan de halfgeleiders zelf. Maar omdat wetenschappers en onderzoekers de afgelopen 70 jaar of meer hebben gewijd aan het efficiënt produceren van hoogwaardige halfgeleiders. Narimanov vroeg zich af of hij die vaardigheid kon benutten en toepassen op het produceren van nieuwe en verbeterde metamaterialen.

Helaas, halfgeleiders maken geen inherent goede optische metamaterialen; ze hebben niet genoeg elektronen. Ze kunnen werken op relatief lage frequenties, op de midden- tot ver-infraroodschaal. Maar om beeld- en detectietechnologieën te verbeteren, wetenschappers hebben metamaterialen nodig die in het zichtbare op het nabij-infrarood spectrum werken, op veel kortere golflengten dan het midden- en ver-infrarood.

Narimanov en zijn medewerkers ontdekten en testten een optisch fenomeen dat 'ballistische resonantie' wordt genoemd. In deze nieuwe optische materialen, die metamateriaalconcepten combineren met de atomaire precisie van monokristallijne halfgeleiders, vrije (ballistische) elektronen interageren met een oscillerend optisch veld.

Het optische veld synchroniseren met de frequentie van de beweging van de vrije elektronen terwijl ze binnen de grenzen van de dunne geleidende lagen stuiteren, het vormen van het composietmateriaal, zorgt ervoor dat de elektronen gaan resoneren, het verbeteren van de reactie van elk elektron en het creëren van een metamateriaal dat op hogere frequenties werkt. Hoewel de onderzoekers de golflengten van het zichtbare spectrum nog niet konden bereiken, ze kregen 60% van de weg daarheen.

"We hebben laten zien dat er een natuurkundig mechanisme is dat dit mogelijk maakt, " zei Narimanov. "Vroeger, mensen wisten niet dat dit iets was dat kon worden gedaan. We hebben de weg geopend. We hebben laten zien dat het theoretisch mogelijk is, en vervolgens hebben we experimenteel 60% verbetering in de operationele frequentie aangetoond ten opzichte van bestaande materialen."

Narimanov kwam met het idee en werkte toen samen met Kun Li, Andrew Briggs, Seth Bank en Daniel Wasserman aan de Universiteit van Texas, evenals Evan Simmons en Viktor Podolskiy aan de Universiteit van Massachusetts Lowell. De onderzoekers van de Universiteit van Texas ontwikkelden de fabricagetechnologie, terwijl de wetenschappers van Massachusetts Lowell bijdroegen aan de volledige kwantumtheorie en de numerieke simulaties uitvoerden om er zeker van te zijn dat alles functioneerde zoals gepland.

"We zullen deze grens blijven verleggen, " zei Narimanov. "Zelfs als we buitengewoon succesvol zijn, niemand zal binnen een jaar of twee halfgeleidermetamaterialen naar het zichtbare en nabij-infrarode spectrum krijgen. Het kan ongeveer vijf jaar duren. Maar wat we hebben gedaan, is het materiële platform bieden. Het knelpunt voor fotonica zit in het materiaal waar elektronen en fotonen elkaar kunnen ontmoeten op dezelfde lengteschaal, en we hebben het opgelost."