(Phys.org) - Er is een ultrasnelle en ultrakleine optische schakelaar uitgevonden die de dag zou kunnen vervroegen waarop fotonen elektronen vervangen in de ingewanden van consumentenproducten, variërend van mobiele telefoons tot auto's.

Het nieuwe optische apparaat kan biljoenen keren per seconde in- en uitschakelen. Het bestaat uit individuele schakelaars die slechts een vijfhonderdste van de breedte van een mensenhaar (200 nanometer) in diameter zijn. Dit formaat is veel kleiner dan de huidige generatie optische schakelaars en het doorbreekt gemakkelijk een van de belangrijkste technische barrières voor de verspreiding van elektronische apparaten die licht detecteren en regelen:het verkleinen van de grootte van ultrasnelle optische schakelaars.

Het nieuwe apparaat is ontwikkeld door een team van wetenschappers van de Vanderbilt University, Universiteit van Alabama-Birmingham, en Los Alamos National Laboratory en wordt beschreven in het nummer van 12 maart van het tijdschrift Nano-letters .

De ultrasnelle schakelaar is gemaakt van een kunstmatig materiaal dat is ontworpen om eigenschappen te hebben die niet in de natuur voorkomen. In dit geval, het "metamateriaal" bestaat uit nanodeeltjes vanadiumdioxide (VO ₂ ) – een kristallijne vaste stof die snel heen en weer kan schakelen tussen een ondoorzichtige, metaalfase en een transparante, halfgeleidende fase - die worden afgezet op een glassubstraat en gecoat met een "nanomesh" van kleine gouden nanodeeltjes.

De wetenschappers melden dat het baden van deze vergulde nanodeeltjes met korte pulsen van een ultrasnelle laser hete elektronen genereert in het gouden nanomesh die in het vanadiumdioxide springen en ervoor zorgen dat het zijn faseverandering ondergaat in een paar biljoensten van een seconde.

"We hadden eerder deze overgang in vanadiumdioxide-nanodeeltjes direct met lasers geactiveerd en we wilden zien of we het ook met elektronen konden doen, " zei Richard Haglund, Stevenson hoogleraar natuurkunde aan Vanderbilt, die de studie leidde. "Het werkt niet alleen, maar de injectie van hete elektronen uit de gouden nanodeeltjes activeert ook de transformatie met een vijfde tot een tiende zoveel energie-invoer die nodig is door de laser direct op de blote VO te laten schijnen ₂ ."

Zowel de industrie als de overheid investeren fors in de integratie van optica en elektronica, omdat het algemeen wordt beschouwd als de volgende stap in de evolutie van informatie- en communicatietechnologie. Intel, Hewlett-Packard en IBM hebben de afgelopen vijf jaar chips met toenemende optische functionaliteit gebouwd die met gigahertz-snelheden werken, een duizendste van de VO ₂ schakelaar.

"Vanadiumdioxideschakelaars hebben een aantal kenmerken die ze ideaal maken voor opto-elektronicatoepassingen, " zei Haglund. Naast hun hoge snelheid en kleine formaat, zij:

• Zijn volledig compatibel met de huidige technologie voor geïntegreerde schakelingen, zowel op silicium gebaseerde chips als de nieuwe "high-K diëlektrische" materialen die de halfgeleiderindustrie ontwikkelt om het miniaturisatieproces voort te zetten dat een belangrijk aspect is geweest van de ontwikkeling van micro-elektronicatechnologie;
• Werken in het zichtbare en nabij-infrarode gebied van het spectrum dat optimaal is voor telecommunicatietoepassingen;
• Genereer een hoeveelheid warmte per bewerking die laag genoeg is zodat de schakelaars stevig genoeg kunnen worden verpakt om praktische apparaten te maken:ongeveer tien biljoenste van een calorie (100 femtojoule) per bit.

"De verbazingwekkende eigenschappen van vanadiumdioxide zijn al meer dan een halve eeuw bekend. Bij Vanderbilt, we hebben VO . gestudeerd ₂ nanodeeltjes in de afgelopen tien jaar, maar het materiaal is opmerkelijk succesvol in het weerstaan ​​van theoretische verklaringen, " zei Haglund. "Het is pas in de afgelopen jaren dat intensieve computerstudies de fysica hebben verlicht die ten grondslag ligt aan de overgang van halfgeleider naar metaal."

Vanderbilt afgestudeerde studenten Kannatassen Appavoo en Joyeeta Nag fabriceerden het metamateriaal bij Vanderbilt; Appavoo bundelde de krachten met de Universiteit van Alabama, Afgestudeerde student Nathaniel Brady en professor David Hilton uit Birmingham om de ultrasnelle laserexperimenten uit te voeren onder begeleiding van wetenschapper Rohit Prasankumar van Los Alamos National Laboratory en postdoctoraal geleerde Minah Seo. De theoretische en computationele studies die hielpen om het complexe mechanisme van de faseovergang op nanoschaal te ontrafelen, werden uitgevoerd door postdoctoraal student Bin Wang en Sokrates Pantelides, Universitair Distinguished Professor of Physics and Engineering aan Vanderbilt.