Een opnieuw uitgevonden, goedkope laserbron die lichtenergie opslaat in schijven op nanoschaal, zou de ontwikkeling van optisch aangedreven neurocomputers kunnen ondersteunen, onthult een simulatiestudie onder leiding van KAUST-onderzoekers.

Fotonische apparaten die gecontroleerde laserpulsen gebruiken om gegevensschakelaars te manipuleren, biomedische implantaten en zonnecellen zijn gewild omdat ze razendsnel zijn in vergelijking met traditionele elektronica; echter, huidige prototypes zijn niet gecommercialiseerd vanwege de moeilijkheid om lasers klein genoeg te maken om op computerprintplaten te passen, terwijl ook de pulsvormende mogelijkheden behouden blijven.

"De uitdaging om een ​​optische bron terug te brengen tot op nanoschaal is dat deze energie sterk in alle richtingen begint uit te zenden, " legde Andrea Fratalocchi uit, een universitair hoofddocent elektrotechniek. "Dit maakt het bijna onmogelijk om te controleren."

Een samenwerking met de groep van Yuri Kivshar aan de Australian National University onthulde manieren om optische diffractielimieten te verslaan met onconventionele anapoollasers. Gemaakt van halfgeleiders die zijn gevormd tot nanoschijven van nauwkeurig formaat, anapolen reageren op lichtstimulatie door elektromagnetische golven te produceren die ofwel uitstralen of roteren in donutvormige ringkernverdelingen.

Bij specifieke excitatiefrequenties, interferentie tussen de twee velden produceert een toestand - de anapool - die in geen enkele richting energie uitstraalt en licht opsluit in de nanoschijf.

"Je kunt deze laser zien als een energietank - als de laser eenmaal aan is, het slaat licht op en laat het niet los totdat je het wilt verzamelen, ' zei Fratalocchi.

Om het potentieel van deze nieuwe lichtbron te ontsluiten, het KAUST-team simuleerde verschillende technische architecturen met behulp van op kwantum gebaseerde algoritmen.

Deze berekeningen, samen met verbeterde microchip-integratie en duizendvoudige verbeteringen in koppeling met optische routers, voorspellen dat anapole nanolasers ultrasnelle lichtpulsen kunnen genereren die bij uitstek geschikt zijn voor het bestuderen van natuurlijke patronen van signalering en neurale verbindingen.

Fratalocchi merkt op dat de nanolasers onzichtbaar lijken voor een waarnemer totdat ze worden verstoord door een object in de buurt. Bijgevolg, het rangschikken van de cilindrische lichtbronnen in een lus kan worden gebruikt om een ​​kettingreactie van lichtemissies te produceren, afstembaar tot zo klein als femtoseconde pulstijden.

"Het is echt als een populatie vuurvliegjes, waar de individuen hun emissies synchroniseren in prachtige patronen, " legde hij uit "Als we de nanolasers dicht bij elkaar plaatsen, we kunnen dezelfde controle krijgen over de pulsen."

De modellen van het team suggereren dat het integreren van verschillende lussen van anapole nanolasers oscillerende, dynamische patronen die nuttig zijn voor het reproduceren van hersenachtige activiteiten, zoals machine learning en geheugenherstel tegen lage kosten, omdat het platform alleen goedkope siliciumwafers nodig heeft om te werken.