Wetenschappers hebben nieuwe deeltjes ontdekt die de kern zouden kunnen vormen van een toekomstige technologische revolutie op basis van fotonische circuits, leidend tot supersnelle, op licht gebaseerd computergebruik.

De huidige computertechnologie is gebaseerd op elektronica, waar elektronen worden gebruikt om informatie te coderen en te transporteren.

Vanwege een aantal fundamentele beperkingen, zoals energieverlies door resistieve verwarming, de verwachting is dat elektronen op den duur moeten worden vervangen door fotonen, wat leidt tot futuristische, op licht gebaseerde computers die veel sneller en efficiënter zijn dan de huidige elektronische.

Natuurkundigen van de Universiteit van Exeter hebben een belangrijke stap gezet in de richting van dit doel, omdat ze nieuwe halflichte halfmateriedeeltjes hebben ontdekt die enkele van de opmerkelijke eigenschappen van grafeen erven.

Deze ontdekking opent de deur voor de ontwikkeling van fotonische circuits die gebruik maken van deze alternatieve deeltjes, bekend als massaloze Dirac-polaritonen, om informatie te transporteren in plaats van elektronen.

Dirac-polaritonen verschijnen in honingraatmeta-oppervlakken, dat zijn ultradunne materialen die zijn ontworpen om structuur te hebben op nanoschaal, veel kleiner dan de golflengte van het licht.

Een uniek kenmerk van Dirac-deeltjes is dat ze relativistische deeltjes zonder massa nabootsen, waardoor ze zeer efficiënt kunnen reizen. Dit feit maakt grafeen een van de meest geleidende materialen die de mens kent.

Echter, ondanks hun buitengewone eigenschappen, het is erg moeilijk om ze onder controle te houden. Bijvoorbeeld, in grafeen is het onmogelijk om elektrische stromen in of uit te schakelen met behulp van eenvoudige elektrische potentiaal, waardoor de mogelijke implementatie van grafeen in elektronische apparaten wordt belemmerd.

Dit fundamentele nadeel - het gebrek aan afstembaarheid - is op een unieke manier met succes overwonnen door de natuurkundigen van de Universiteit van Exeter.

Charlie Ray Mann, de hoofdauteur van het artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie , legt uit:"Voor grafeen, men moet meestal het honingraatrooster aanpassen om de eigenschappen te veranderen, bijvoorbeeld door het honingraatrooster te spannen, wat een enorme uitdaging is om dit beheersbaar te maken."

"Het belangrijkste verschil hier is dat de Dirac-polaritonen hybride deeltjes zijn, een mengsel van licht- en materiecomponenten. Het is deze hybride aard die ons een unieke manier biedt om hun fundamentele eigenschappen af ​​te stemmen, door alleen hun lichte component te manipuleren, iets dat onmogelijk is om te doen in grafeen."

De onderzoekers laten zien dat door het honingraatmeta-oppervlak tussen twee reflecterende spiegels in te bedden en de afstand ertussen te veranderen, men kan de fundamentele eigenschappen van de Dirac-polaritonen afstemmen op een eenvoudige, controleerbare en omkeerbare manier.

"Ons werk heeft cruciale implicaties voor de onderzoeksgebieden van fotonica en Dirac-deeltjes, " voegt Dr. Eros Mariani toe, hoofdonderzoeker van het onderzoek.

"We hebben het vermogen getoond om de Dirac-deeltjes te vertragen of zelfs te stoppen, en hun interne structuur wijzigen, hun chiraliteit, in technische termen, wat onmogelijk is in grafeen zelf"

"De resultaten van ons werk zullen een belangrijke stap zijn in de revolutie van de fotonische circuits."

De studie "Manipulating type-I and type-II Dirac polaritons in cavity-embedded honeycomb metasurfaces" (DOI:10.1038/s41467-018-03982-7) werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie .