Bij elektronica, de race om kleiner is enorm. Natuurkundigen van de Universiteit van Cincinnati werken aan het benutten van de kracht van nanodraden, microscopisch kleine draden die de potentie hebben om zonnecellen te verbeteren of glasvezel te revolutioneren.

Nanotechnologie heeft het potentieel om het knelpunt op te lossen dat optreedt bij het opslaan of ophalen van digitale gegevens - of zou gegevens op een geheel nieuwe manier kunnen opslaan.? UC-hoogleraren en hun afgestudeerde studenten presenteerden hun onderzoek op de conferentie van 13 maart van de American Physical Society in New Orleans , Louisiana.

Hans Peter Wagner, universitair hoofddocent natuurkunde, en promovendus Fatemesadat Mohammadi kijken naar manieren om gegevens te verzenden met de snelheid van glasvezel, maar op een aanzienlijk kleinere schaal.

Wagner en hoofdauteur Mohammadi bestuderen dit veld, plasmonica genoemd, met onderzoekers van drie andere universiteiten. Voor het nieuwe experiment ze bouwden nanodraad-halfgeleiders met organisch materiaal, vuurde laserpulsen af ​​op het monster en mat de manier waarop licht over het metaal reisde; technisch gezien, de excitaties van plasmongolven.

"Dus, als we erin slagen een beter begrip te krijgen van de koppeling tussen de excitaties in halfgeleider nanodraden en metaalfilms, het zou veel nieuwe perspectieven kunnen openen, ' zei Wagner.

Het succesvolle gebruik van dit fenomeen - plasmongolfgeleiding genoemd - zou onderzoekers in staat kunnen stellen gegevens met licht op nanoniveau te verzenden.

Universiteiten over de hele wereld bestuderen nanodraden, die alomtegenwoordige toepassingen hebben, van biomedische sensoren tot lichtgevende diodes of LED's. Vier UC-papers over het onderwerp zijn onder meer dan 150 andere door nanodraadonderzoekers over de hele wereld die op de conferentie van maart zullen worden gepresenteerd.

"Je probeert de fysieke structuur te optimaliseren op iets dat de atomaire schaal benadert. Je kunt apparaten met een zeer hoog rendement maken, zoals lasers, " zei Leigh Smith, hoofd van UC's Department of Physics. Smith en UC Physics Professor Howard Jackson presenteerden ook papers over nanodraden op de conferentie. Vrijwel iedereen profiteert van deze onderzoekslijn, zelfs als de kwantummechanica die ten grondslag ligt aan de nieuwste biosensoren een terloops begrip te boven gaat. Bijvoorbeeld, zwangerschapstesten voor thuis gebruiken gouden nanodeeltjes - de indicator die van kleur verandert. "Mensen gebruiken de hele tijd technologieën die ze niet begrijpen, Smith zei. Arthur C. Clarke zei:'Elke voldoende geavanceerde technologie is niet te onderscheiden van magie.'"

Gordon Moore, mede-oprichter van Intel Corp., merkte op dat het aantal transistors dat in een microchip wordt gebruikt sinds de jaren zeventig ongeveer elke twee jaar is verdubbeld. Dit fenomeen, nu de wet van Moore genoemd, suggereert dat de verwerkingskracht van computers met een voorspelbare snelheid verbetert.

Sommige computerwetenschappers voorspelden dat de ondergang van de wet van Moore onvermijdelijk was met de komst van microprocessors. Maar nanotechnologie verlengt de levensduur van dat concept, zei Brian Markwalter, senior vice-president onderzoek en technologie voor de Consumer Technology Association. Zijn handelsgroep vertegenwoordigt 2, 200 leden in de $ 287 miljard Amerikaanse tech-industrie.

"Het is geen race om klein te zijn, maar om de kleinste te zijn. Er is een progressie om meer te kunnen doen met kleinere chips. Het effect voor consumenten is dat ze elk jaar betere en betere producten krijgen voor dezelfde prijs of minder, " hij zei.

Nanotechnologie opent een universum van nieuwe mogelijkheden, aldus Markwalter.

"Het is bijna magisch. Ze worden beter, sneller, goedkoper en verbruiken minder stroom, " hij zei.

Markwalter zei dat het onderzoek van UC-professor Wagner opwindend is omdat het veelbelovend is in het gebruik van optische schakelaars om een ​​knelpunt in de gegevensoverdracht aan te pakken dat optreedt wanneer u gegevens probeert op te slaan of te verwijderen.

"Het is echt een baanbrekend gebied om de halfgeleiderwereld en de optische wereld samen te voegen, "Zei Markwalter. "[Wagner's] werkt op het snijvlak van glasvezel en fotonica."

Maar zelfs nanotechnologie heeft zijn grenzen, zei Smit.

"We rennen naar de grenzen van wat fysiek mogelijk is met de huidige technologieën, " Smith zei. "De uitdagingen zijn behoorlijk immens. Over 10 of 20 jaar moet er een fundamentele paradigmaverschuiving plaatsvinden in hoe we structuren maken. Als we dat niet doen, worden we gepakt op dezelfde plek als waar we nu zijn."

Hoe een UC-experiment werkt:

UC-afgestudeerde student Fatemesadat Mohammadi en universitair hoofddocent natuurkunde Hans-Peter Wagner vuren laserpulsen af ​​op halfgeleider nanodraden om elektronen (excitonen genoemd) op te wekken die mogelijk dienen als een energiepomp om plasmongolven over een gecoate metalen film van slechts enkele nanometers dik te geleiden zonder kracht te verliezen , een netelroos fysieke eigenschap genaamd resistiviteit

Ze meten de resulterende luminescentie van de nanodraad om te observeren hoe licht zich koppelt aan de metaalfilm. Door licht over een metaalfilm te sturen, een proces genaamd plasmonische golfgeleiding, onderzoekers zouden ooit gegevens kunnen verzenden met licht op nanoniveau.

"De luminescentie is onze interesse. Dus we coaten ze en zien:hoe verandert de fotoluminescentie-karakteristiek?" zei Mohammed.

Om de halfgeleider te maken, ze gebruiken een techniek die hoogvacuüm organische moleculaire bundeldepositie wordt genoemd (hierboven afgebeeld) om organische en metalen lagen op galliumnitride-nanostaafjes te verspreiden.

Het gebruik van organische film is uniek voor het UC-experiment, zei Wagner. De film werkt als een afstandhouder om de energiestroom tussen excitonen in de nanodraad en de oscillatie van metaalelektronen, plasmonen genaamd, te regelen.

Het organische materiaal heeft als bijkomend voordeel dat het ook excitonen bevat die, goed geregeld, zou de energiestroom in een halfgeleider kunnen ondersteunen, hij zei.

Door de nanostaafjes met goud te coaten, wordt de levensduur van de exciton-emissie aanzienlijk verkort, wat resulteert in wat een uitgedoofde fotoluminescentie wordt genoemd. Maar door organische afstandhouders tussen de nanostaaf en de goudfilm te gebruiken, de onderzoekers zijn in staat om de emissie-levensduur te verlengen tot bijna het equivalent van nanostaafjes zonder coating.

Zodra het met goud beklede monster is voorbereid, ze nemen het mee naar een aangrenzende laboratoriumruimte en onderwerpen het aan pulsen van laserlicht.

Mohammadi zei dat het dagen van nauwgezet werk kostte om de kleine stad met spiegels en straalsplitsers te regelen die onder precieze hoeken aan een werkbank waren vastgeschroefd voor het experiment (linksboven afgebeeld).

De reacties in de nanodraad duren slechts 10 picoseconden (wat een biljoenste van een seconde is). En de laserpulsen zijn nog sneller - 20 femtoseconden (een getal met 15 nullen of een quadriljoenste van een seconde).

Het UC-project maakte gebruik van een gouden coating, zodat experimenten op een later tijdstip konden worden herhaald zonder risico op oxidatie. Maar traditionele coatings zoals zilver, Mohammed zei, nog meer belofte inhouden.