Nieuwe transparante metamaterialen die in ontwikkeling zijn, kunnen computerchips en onderling verbonden circuits mogelijk maken die licht gebruiken in plaats van elektronen om gegevens te verwerken en te verzenden. een potentiële sprong in de prestaties vertegenwoordigen.

Hoewel optische vezels tegenwoordig worden gebruikt om grote hoeveelheden gegevens over grote afstanden te verzenden, de technologie kan niet gemakkelijk worden geminiaturiseerd omdat de golflengte van licht te groot is om binnen de minuscule afmetingen van microschakelingen te passen.

"De rol van optische vezels is om licht van punt A naar punt B te leiden, in feite, over continenten, " zei Zubin Jacob, een assistent-professor in elektrische en computertechniek aan de Purdue University. "Het grootste voordeel hiervan ten opzichte van koperen kabels is dat het een zeer hoge bandbreedte heeft, dus grote hoeveelheden gegevens kunnen door deze optische kabels gaan in tegenstelling tot koperdraden. Echter, op onze computers en consumentenelektronica gebruiken we nog steeds koperdraden tussen verschillende delen van de chip. De reden is dat je licht niet kunt beperken tot dezelfde grootte als een koperdraad op nanoschaal."

Transparante metamaterialen, nanogestructureerde kunstmatige media met transparante bouwstenen, laat ongekende controle van licht toe en kan een oplossing zijn. Onderzoekers boeken vooruitgang bij het ontwikkelen van metamaterialen die de golflengte van licht verkleinen, wijzend op een strategie om licht in plaats van elektronen te gebruiken om gegevens in computerchips te verwerken en te verzenden.

"Als je communicatie met een zeer hoge bandbreedte op de chip hebt en circuits tussen chips met elkaar verbindt, je kunt naar hogere kloksnelheden gaan, dus snellere gegevensverwerking, "Zei Jacob. Een dergelijke vooruitgang zou het mogelijk kunnen maken om de omvang van een high-performance computercluster te verkleinen tot de grootte van een standaard desktopcomputer.

In tegenstelling tot sommige van de metamaterialen die in ontwikkeling zijn, die afhankelijk zijn van het gebruik van edele metalen zoals goud en zilver, de nieuwe metamaterialen zijn volledig gemaakt van diëlektrische materialen, of isolatoren en niet-metalen. Deze benadering zou onderzoekers in staat kunnen stellen om een ​​belangrijke beperking te overwinnen die tot nu toe is ondervonden bij de ontwikkeling van technologieën op basis van metamaterialen:het gebruik van metalen leidt tot het verlies van te veel licht om praktisch te zijn voor veel toepassingen.

Een overzichtsartikel over volledig diëlektrische metamaterialen verscheen deze maand online in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , wijst op de snelle ontwikkeling op dit nieuwe onderzoeksgebied. Het artikel is geschreven door promovendus Saman Jahani en Jacob.

"Een belangrijke factor is dat we helemaal geen metalen gebruiken in dit metamateriaal, want als je metalen gebruikt, gaat veel licht in warmte en gaat verloren, Jacob zei. "We willen alles naar het siliciumplatform brengen omdat dit het beste materiaal is om elektronische en fotonische apparaten op dezelfde chip te integreren."

Een cruciaal detail is de "anisotrope snelheid" van het materiaal - wat betekent dat licht veel sneller in de ene richting door het materiaal wordt doorgelaten dan in een andere. Conventionele materialen laten licht met bijna dezelfde snelheid door, ongeacht in welke richting het door het materiaal beweegt.

"Het lastige van dit werk is dat we eisen dat het materiaal zeer anisotroop is, "zei hij. "Dus in één richting reist licht bijna net zo snel als in een vacuüm, en in de andere richting reist het zoals in silicium, dat is ongeveer vier keer langzamer."

De innovatie zou het mogelijk kunnen maken om een ​​fenomeen te wijzigen dat "totale interne reflectie, " het principe dat momenteel wordt gebruikt om licht in glasvezel te geleiden. De onderzoekers werken aan totale interne reflectie in optische vezels, omringd door het nieuwe op silicium gebaseerde metamateriaal.

"Onze bijdrage is in wezen het feit dat we dit fenomeen van totale interne reflectie hebben kunnen aanpassen tot op nanoschaal, wat conventioneel voor onmogelijk werd gehouden, ' zei Jaap.

Doordat het materiaal transparant is, is het geschikt voor het doorlaten van licht, wat een kritiek punt is voor praktische apparaattoepassingen. De aanpak zou de verwarming in circuits kunnen verminderen, wat betekent dat er minder stroom nodig zou zijn om apparaten te bedienen. Een dergelijke innovatie zou op de lange termijn geminiaturiseerde gegevensverwerkingseenheden kunnen opleveren.

"Een andere fascinerende toepassing voor deze transparante metamaterialen is het verbeteren van de koppeling van licht en materie voor enkelvoudige kwantumlichtstralers, Jacob zei. De grootte van lichtgolven binnen een vezel is te groot om effectief met uiterst kleine atomen en molecules in wisselwerking te staan. De transparante bekleding van metamateriaal kan de lichtgolven comprimeren tot subgolflengtewaarden, waardoor licht effectief kan interageren met kwantumobjecten. Dit kan de weg vrijmaken voor lichtbronnen op het niveau van een enkel foton."