(Phys.org)—Computers worden misschien elk jaar sneller, maar die vooruitgang in computersnelheid zou in het niet vallen als hun enen en nullen werden weergegeven door uitbarstingen van licht, in plaats van elektriciteit.

Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben een belangrijke vooruitgang geboekt in deze grens van fotonica, het maken van de eerste volledig optische fotonische schakelaar uit cadmiumsulfide-nanodraden. Bovendien, ze combineerden deze fotonische schakelaars tot een logische poort, een fundamenteel onderdeel van computerchips die informatie verwerken.

Het onderzoek werd uitgevoerd door universitair hoofddocent Ritesh Agarwal en afgestudeerde student Brian Piccione van de afdeling Materials Science and Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science. Postdoctorale onderzoekers Chang-Hee Cho en Lambert van Vugt, ook van de afdeling materiaalkunde, bijgedragen aan de studie.

Het werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

De innovatie van het onderzoeksteam bouwde voort op hun eerdere onderzoek, waaruit bleek dat hun cadmiumsulfide-nanodraden een extreem sterke koppeling van licht en materie vertoonden, waardoor ze bijzonder efficiënt zijn in het manipuleren van licht. Deze kwaliteit is cruciaal voor de ontwikkeling van fotonische circuits op nanoschaal, aangezien bestaande mechanismen voor het regelen van de lichtstroom omvangrijker zijn en meer energie vergen dan hun elektronische analogen.

"De grootste uitdaging voor fotonische structuren op nanoschaal is om het licht binnen te krijgen, het manipuleren als het er eenmaal is en het er dan uithalen, "Agarwal zei. "Onze belangrijkste innovatie was hoe we het eerste probleem oplosten, in die zin dat het ons in staat stelde om de nanodraden zelf te gebruiken voor een on-chip lichtbron."

Het onderzoeksteam begon met het nauwkeurig snijden van een opening in een nanodraad. Vervolgens pompten ze genoeg energie in het eerste nanodraadsegment dat het laserlicht begon uit te zenden vanaf het uiteinde en door de opening. Omdat de onderzoekers begonnen met een enkele nanodraad, de twee segmentuiteinden waren perfect op elkaar afgestemd, waardoor het tweede segment het licht efficiënt kan absorberen en doorlaten over de hele lengte.

"Zodra we het licht in het tweede segment hebben, we schijnen nog een licht door de structuur en zetten uit wat door die draad wordt getransporteerd, "Zei Agarwal. "Dat is wat het een schakelaar maakt."

De onderzoekers konden de intensiteit van het licht meten dat uit het uiteinde van de tweede nanodraad kwam en aantonen dat de schakelaar de binaire toestanden die in logische apparaten worden gebruikt, effectief kon weergeven.

"Door schakelaars in elkaar te zetten, kun je logische poorten maken, en het samenstellen van logische poorten stelt je in staat om berekeningen uit te voeren, Piccione zei. "We gebruikten deze optische schakelaars om een ​​NAND-poort te bouwen, dat is een fundamentele bouwsteen van moderne computerverwerking."

Een NAND-poort, wat staat voor "niet en, " retourneert een "0"-uitgang wanneer alle ingangen "1" zijn. Het is door de onderzoekers geconstrueerd door twee nanodraadschakelaars te combineren in een Y-vormige configuratie.  NAND-poorten zijn belangrijk voor de berekening omdat ze "functioneel compleet zijn, " wat betekent dat, als je het in de juiste volgorde zet, ze kunnen elke logische bewerking uitvoeren en vormen zo de basis voor computerprocessors voor algemeen gebruik.

"We zien een toekomst waarin 'consumentenelektronica' 'consumentenfotonica' wordt, "Zei Agarwal. "En deze studie toont aan dat dat mogelijk is."