De computers van vandaag zijn sneller en kleiner dan ooit tevoren. De nieuwste generatie transistors zal structurele kenmerken hebben met afmetingen van slechts 10 nanometer. Als computers op deze minuscule schaaltjes nog sneller en tegelijkertijd energiezuiniger moeten worden, ze zullen waarschijnlijk informatie moeten verwerken met behulp van lichtdeeltjes in plaats van elektronen. Dit wordt "optical computing" genoemd.

Glasvezelnetwerken gebruiken al licht om data met hoge snelheid en met minimaal verlies over lange afstanden te transporteren. De diameters van de dunste kabels, echter, zijn in het micrometerbereik, want de lichtgolven - met een golflengte van ongeveer een micrometer - moeten ongehinderd kunnen oscilleren. Om gegevens op een micro- of zelfs nanochip te verwerken, er is dus een geheel nieuw systeem nodig.

Een mogelijkheid zou zijn om lichtsignalen te geleiden via zogenaamde plasmonoscillaties. Het gaat om een ​​lichtdeeltje (foton) dat de elektronenwolk van een gouden nanodeeltje opwindt zodat het gaat oscilleren. Deze golven reizen vervolgens met ongeveer 10% van de lichtsnelheid langs een keten van nanodeeltjes. Met deze aanpak worden twee doelen bereikt:afmetingen op nanometerschaal en enorme snelheid. Wat overblijft, echter, is het energieverbruik. In een ketting die puur uit goud bestaat, dit zou bijna net zo hoog zijn als bij conventionele transistors, vanwege de aanzienlijke warmteontwikkeling in de gouddeeltjes.

Een klein stukje zilver

Tim Liedl, Professor of Physics bij LMU en PI bij het cluster of excellence Nanosystems Initiative Munich (NIM), samen met collega's van de Ohio University, heeft nu een artikel in het tijdschrift gepubliceerd Natuurfysica , waarin wordt beschreven hoe zilveren nanodeeltjes het energieverbruik aanzienlijk kunnen verminderen. De natuurkundigen bouwden een soort miniatuur testbaan met een lengte van zo'n 100 nanometer, samengesteld uit drie nanodeeltjes:één gouden nanodeeltje aan elk uiteinde, met een zilveren nanodeeltje precies in het midden.

Het zilver dient als een soort intermediair tussen de gouddeeltjes terwijl het geen energie verspilt. Om het plasmon van het zilverdeeltje te laten oscilleren, er is meer excitatie-energie nodig dan voor goud. Daarom, de energie stroomt gewoon "rond" het zilverdeeltje. "Het transport wordt bemiddeld via de koppeling van de elektromagnetische velden rond de zogenaamde hotspots die ontstaan ​​tussen elk van de twee gouddeeltjes en het zilverdeeltje, " legt Tim Liedl uit. "Hierdoor kan de energie bijna verliesvrij worden getransporteerd, en op een femtoseconde tijdschaal."

Kwantummodel uit het leerboek

Doorslaggevend voor de experimenten was het feit dat Tim Liedl en zijn collega's experts zijn in het prachtig exact plaatsen van nanostructuren. Dit wordt gedaan door de DNA-origami-methode, waarmee verschillende kristallijne nanodeeltjes op nauwkeurig gedefinieerde nanoafstanden van elkaar kunnen worden geplaatst. Soortgelijke experimenten waren eerder uitgevoerd met behulp van conventionele lithografietechnieken. Echter, deze bieden niet de vereiste ruimtelijke precisie, in het bijzonder waar het verschillende soorten metalen betreft.

parallel, de natuurkundigen simuleerden de experimentele opstelling op de computer – en lieten hun resultaten bevestigen. Naast klassieke elektrodynamische simulaties, Alexander Govorov, Hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Ohio, Athene, VS, was in staat om een ​​eenvoudig kwantummechanisch model vast te stellen:"In dit model, de klassieke en de kwantummechanische beelden passen goed bij elkaar, wat het een potentieel voorbeeld maakt voor de schoolboeken."