Elektrotechnische onderzoekers van de Universiteit van Minnesota hebben een uniek apparaat op nanoschaal ontwikkeld dat voor het eerst mechanisch transport van licht aantoont. De ontdekking zou grote gevolgen kunnen hebben voor het maken van snellere en efficiëntere optische apparaten voor berekening en communicatie.

Het onderzoekspaper van Mo Li, assistent-professor elektrotechniek en computertechniek aan de Universiteit van Minnesota en zijn afgestudeerde student Huan Li is online gepubliceerd en zal verschijnen in het oktobernummer van Natuur Nanotechnologie .

Onderzoekers ontwikkelden een nieuw apparaat op nanoschaal dat kan vastleggen, meten en transporteren van fundamentele lichtdeeltjes, fotonen genoemd. Het kleine apparaatje is slechts 0,7 micrometer bij 50 micrometer (ongeveer 0,0007 bij 0,005 centimeter) en werkt bijna als een wip. Aan weerszijden van de "wipbanken, "Onderzoekers etsten een reeks gaten, fotonische kristalholten genoemd. Deze holtes vangen fotonen op die vanuit een nabijgelegen bron werden gestreamd.

Ook al hebben de lichtdeeltjes geen massa, de vastgelegde fotonen konden wip spelen omdat ze optische kracht genereerden. Onderzoekers vergeleken de optische krachten die werden gegenereerd door de fotonen die werden vastgelegd in de holtes aan de twee zijden van de wip door te observeren hoe de wip op en neer bewoog. Op deze manier, de onderzoekers wogen de fotonen. Hun apparaat is gevoelig genoeg om de kracht te meten die wordt gegenereerd door een enkel foton, wat overeenkomt met ongeveer een derde van een duizend-biljoenste van een pond of een zevende van een duizend-biljoenste van een kilogram.

Professor Li en zijn onderzoeksteam gebruikten de wip ook om voor het eerst de mechanische controle van het transporteren van licht experimenteel aan te tonen.

"Toen we de holte aan de linkerkant met fotonen vulden en de holte aan de rechterkant leeg lieten, de kracht gegenereerd door de fotonen begon de wip te oscilleren. Toen de trilling sterk genoeg was, de fotonen kunnen tijdens elke cyclus langs de bundel van de gevulde holte naar de lege holte overlopen, "Zei Li. "We noemen het fenomeen 'photon-shuttling'."

Hoe sterker de trilling, hoe meer fotonen naar de andere kant worden gependeld. Momenteel heeft het team ongeveer 1 000 fotonen in een cyclus. Ter vergelijking, een gloeilamp van 10 W zendt elke seconde 1020 fotonen uit. Het uiteindelijke doel van het team is om slechts één foton in een cyclus te transporteren, zodat de kwantumfysica van licht kan worden onthuld en benut.

"Het vermogen om fotonbewegingen mechanisch te controleren in plaats van ze te besturen met dure en omslachtige opto-elektronische apparaten, zou een belangrijke technologische vooruitgang kunnen betekenen, " zei Huan Li, de hoofdauteur van het artikel.

Het onderzoek zou kunnen worden gebruikt om een ​​uiterst gevoelige micromechanische manier te ontwikkelen om de versnelling van een auto of een hardloper te meten, of kan worden gebruikt als onderdeel van een gyroscoop voor navigatie, zei Li.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om geavanceerde foton-shuttles te bouwen met meer vallen aan weerszijden van het wipapparaat dat fotonen over grotere afstanden en met hogere snelheden kan pendelen. Ze verwachten dat dergelijke apparaten een rol kunnen spelen bij het ontwikkelen van micro-elektronische circuits die licht in plaats van elektronen zouden gebruiken om gegevens te vervoeren, waardoor ze sneller zouden zijn en minder stroom zouden verbruiken dan traditionele geïntegreerde schakelingen.