Ingenieurs van Duke University hebben een apparaat gedemonstreerd dat lichtfotonen rond scherpe hoeken kan sturen met vrijwel geen verliezen als gevolg van terugverstrooiing. een belangrijke eigenschap die nodig zal zijn als elektronica ooit wordt vervangen door op licht gebaseerde apparaten.

Het resultaat werd bereikt met fotonische kristallen gebouwd op het concept van topologische isolatoren, die zijn ontdekkers in 2016 een Nobelprijs won. Door de geometrie van een kristalrooster zorgvuldig te controleren, onderzoekers kunnen voorkomen dat licht door het interieur reist terwijl het perfect langs het oppervlak wordt doorgelaten.

Door deze concepten het apparaat bereikt zijn bijna perfecte transmissie rond hoeken, ondanks dat het veel kleiner is dan eerdere ontwerpen.

De Semiconductor Industry Association schat dat het aantal elektronische apparaten zo snel toeneemt dat tegen het jaar 2040, er zal niet genoeg stroom in de hele wereld zijn om ze allemaal te laten draaien. Een mogelijke oplossing is om massaloze fotonen te gebruiken om de elektronen te vervangen die momenteel worden gebruikt voor het verzenden van gegevens. Naast het besparen van energie, fotonische systemen beloven ook sneller te zijn en een hogere bandbreedte te hebben.

Fotonen worden al gebruikt in sommige toepassingen, zoals on-chip fotonische communicatie. Een nadeel van de huidige technologie, echter, is dat dergelijke systemen het licht niet efficiënt kunnen draaien of buigen. Maar om fotonen ooit elektronen in microchips te laten vervangen, reizen rond hoeken in microscopisch kleine ruimtes is een noodzaak.

"Hoe kleiner het apparaat, hoe beter, maar natuurlijk proberen we ook verliezen te minimaliseren, " zei Wiktor Walasik, een postdoctoraal medewerker in elektrotechniek en computertechniek bij Duke. "Er zijn veel mensen bezig om een ​​volledig optisch computersysteem mogelijk te maken. We zijn er nog niet, maar ik denk dat dat de richting is die we opgaan."

Eerdere demonstraties hebben ook kleine verliezen aangetoond bij het geleiden van fotonen om hoeken, maar het nieuwe Duke-onderzoek doet het op een rechthoekig apparaat van slechts 35 micrometer lang en 5,5 micrometer breed - 100 keer kleiner dan eerder aangetoonde apparaten op basis van ringresonatoren.

In de nieuwe studie die op 12 november online verscheen in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , onderzoekers fabriceerden topologische isolatoren met behulp van elektronenstraallithografie en maten de lichttransmissie door een reeks scherpe bochten. Uit de resultaten bleek dat elke beurt slechts een verlies van enkele procenten opleverde.

"Licht rond scherpe hoeken leiden in conventionele fotonische kristallen was voorheen mogelijk, maar alleen door een lang moeizaam proces dat was afgestemd op een specifieke reeks parameters, " zei Natasha Litchinitser, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke. "En als je zelfs maar de kleinste fout hebt gemaakt bij het maken ervan, het verloor veel van de eigenschappen die je probeerde te optimaliseren."

"Maar ons apparaat zal werken, ongeacht de afmetingen of geometrie van het pad van de fotonen en het fotonentransport is 'topologisch beschermd, '" voegde Mikhail Shalaev toe, een doctoraalstudent in het laboratorium van Litchinitser en eerste auteur van het artikel. "Dit betekent dat zelfs als er kleine defecten zijn in de fotonische kristallijne structuur, de golfgeleider werkt nog steeds erg goed. Het is niet zo gevoelig voor fabricagefouten."

De onderzoekers wijzen erop dat hun apparaat ook een grote werkbandbreedte heeft, is compatibel met moderne halfgeleiderfabricagetechnologieën, en werkt op de golflengten die momenteel in de telecommunicatie worden gebruikt.

De onderzoekers proberen vervolgens hun golfgeleider dynamisch afstembaar te maken om de bandbreedte van zijn werking te verschuiven. Hierdoor zou de golfgeleider naar believen kunnen worden in- en uitgeschakeld - een ander belangrijk kenmerk voor volledig optische, op fotonen gebaseerde technologieën om ooit werkelijkheid te worden.