Onderzoekers hebben een ultrasnel lichtgevend apparaat ontwikkeld dat 90 miljard keer per seconde kan in- en uitschakelen en de basis zou kunnen vormen voor optisch computergebruik.

Op het meest basale niveau, De batterij van je smartphone voedt miljarden transistors met elektronen om miljarden keren per seconde aan en uit te schakelen. Maar als microchips fotonen zouden kunnen gebruiken in plaats van elektronen om gegevens te verwerken en te verzenden, computers zouden nog sneller kunnen werken.

Maar eerst moeten ingenieurs een lichtbron bouwen die zo snel aan en uit kan worden gezet. Hoewel lasers aan deze eis kunnen voldoen, ze zijn te energieverslindend en te log om in computerchips te integreren.

Onderzoekers van Duke University zijn nu een stap dichter bij zo'n lichtbron. In een nieuwe studie, een team van de Pratt School of Engineering duwde halfgeleiderkwantumdots om licht uit te zenden van meer dan 90 gigahertz. Dit zogenaamde plasmonische apparaat zou ooit kunnen worden gebruikt in optische computerchips of voor optische communicatie tussen traditionele elektronische microchips.

Het onderzoek is op 27 juli online gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Dit is iets dat de wetenschappelijke gemeenschap al heel lang wil doen, " zei Maiken Mikkelsen, een assistent-professor in elektrische en computertechniek en natuurkunde aan Duke. "We kunnen nu gaan nadenken over het maken van snelwisselende apparaten op basis van dit onderzoek, dus er is veel opwinding over deze demonstratie."

Het nieuwe snelheidsrecord werd gevestigd met behulp van plasmonics. Wanneer een laser op het oppervlak van een zilveren kubus van slechts 75 nanometer breed schijnt, de vrije elektronen op het oppervlak beginnen samen in een golf te oscilleren. Deze trillingen creëren hun eigen licht, die weer reageert met de vrije elektronen. Energie die op deze manier op het oppervlak van de nanokubus wordt gevangen, wordt een plasmon genoemd.

Het plasmon creëert een intens elektromagnetisch veld tussen de zilveren nanokubus en een dunne laag goud die op slechts 20 atomen is geplaatst. Dit veld interageert met kwantumstippen - bollen van halfgeleidend materiaal van slechts zes nanometer breed - die zijn ingeklemd tussen de nanokubus en het goud. De kwantumstippen, beurtelings, een richtinggevend, efficiënte emissie van fotonen die bij meer dan 90 gigahertz kan worden in- en uitgeschakeld.

"Er is grote belangstelling voor het vervangen van lasers door LED's voor optische communicatie op korte afstand, maar deze ideeën zijn altijd beperkt geweest door de lage emissiesnelheid van fluorescerende materialen, gebrek aan efficiëntie en onvermogen om de fotonen te sturen, " zei Gleb Akselrod, een postdoctoraal onderzoek in het laboratorium van Mikkelsen. "Nu hebben we een belangrijke stap gezet om deze problemen op te lossen."

"Het uiteindelijke doel is om onze technologie te integreren in een apparaat dat zowel optisch als elektrisch kan worden opgewekt. " zei Thang Hoang, ook een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Mikkelsen. "Dat is iets waarvan ik denk dat iedereen, inclusief financieringsinstanties, hard aan het pushen is."

De groep werkt nu aan het gebruik van de plasmonische structuur om een ​​enkele fotonenbron te creëren - een noodzaak voor extreem veilige kwantumcommunicatie - door een enkele kwantumstip in de opening tussen de zilveren nanokubus en goudfolie te plaatsen. Ze proberen ook de kwantumstippen precies te plaatsen en te oriënteren om de snelst mogelijke fluorescentiesnelheden te creëren.

Afgezien van de potentiële technologische effecten, het onderzoek toont aan dat bekende materialen niet beperkt hoeven te worden door hun intrinsieke eigenschappen.

"Door de omgeving rond een materiaal af te stemmen, zoals we hier hebben gedaan met halfgeleiders, we kunnen nieuwe designermaterialen creëren met bijna alle optische eigenschappen die we wensen, "zei Mikkelsen. "En dat is een opkomend gebied dat fascinerend is om over na te denken."