Erittäin pieniä optisia kytkimiä

Tiedemiesryhmä Vanderbiltin ja Alabama-Birminghamin yliopistoista sekä Los Alamos National Laboratorystä on kehittänyt erittäin nopean ja pienen optisen kytkinrakenteen. Se voidaan kytkeä päälle ja pois terahertsien nopeuksilla.

Ultranopeat kytkimet on valmistettu "metamateriaalista", joka koostuu vanadiinidioksidin (VO2) nanohiukkasista, jotka on päällystetty kullan nanohiukkasilla. Vanadiinidioksidi on kiteinen kiinteä aine, joka voi nopeasti siirtyä edestakaisin läpinäkymättömän metallitilan ja läpinäkyvän puolijohtavan tilan välillä.

Rakenteessa kultahiukkasten verkosto toimii plasmonisena valokatodina, joka indusoi nopeita faasimuunnoksia vanadiinidioksidissa kun sitä valaistaan femtosekuntien laserpulssilla. Optisen virityksen pintalasmoniresonanssissa luomat kuumat elektronit injektoituvat ballistisesti Au/VO2-rajapinnan yli indusoimaan alle pikosekunnin faasimuutoksen vanadiinioksidissa.

Nopeuden ja pienen koon lisäksi vanadiinioksidi-kytkimillä on useita ominaisuuksia, jotka tekevät niistä ihanteellisia optoelektroniikan sovelluksiin. Ne ovat täysin yhteensopivia nykyiseen mikropiiriteknologiaan sekä pii-perustaisille siruille ja uusille high-k eristemateriaaleille.

Ne toimivat näkyvän valon ja lähi-infrapuna-alueen taajuuksilla, mikä on optimaalinen tietoliikennesovellusiin. Lisäksi niiden generoima lämpömäärä per toiminto on niin pieni, että kytkimiä voidaan pakata tiiviisti käytännön piireihin. Noin 100 femtojoulea bittiä kohti.

Vanadiinidioksidin hämmästyttävät ominaisuudet on tunnettu jo yli puoli vuosisataa.

- Vanderbiltin yliopistossa VO2-nanohiukkasia on tutkittu viimeisen kymmenen vuoden aikana, mutta materiaali on huomattavan menestyksekkäästi vastustanut teoreettisia selityksiä", toteaa tutkimuksia vetänyt Richard Haglund yliopistonsa tiedotteessa.

- Vasta viime vuosina, intensiivisen laskennallisen tutkimuksen avulla saatu valaistua fysiikkaa, joka on sen puolijohde-metalli siirtymän taustalla.

Aiheesta aiemmin:

Nopeampia kytkimiä ja viritettäviä eristeitä