Sähköisesti moduloitu valoantenni

Würzburgin fyysikot esittelevät nanometrin kokoisen valoantennin, jossa on sähköisesti moduloidut pintaominaisuudet – läpimurto, joka voisi tasoittaa tietä nopeammille tietokonesiruille.

Jos tietokonesiruissa käytettäisiin fotoneja elektronien sijasta, ne voisivat olla jopa 1000 kertaa nopeampia.

Plasmoniset resonaattorit, jotka tunnetaan myös nimellä "antennit valolle", ovat lupaava tapa saavuttaa tämä nopeusharppaus. Nämä ovat nanometrin kokoisia metallirakenteita, joissa valo ja elektronit ovat vuorovaikutuksessa. Geometriastaan riippuen ne voivat olla vuorovaikutuksessa eri valotaajuuksien kanssa.

"Haasteena on, että plasmonisia resonaattoreita ei vielä voida moduloida tehokkaasti, kuten perinteisen elektroniikan transistoreilla. Tämä estää nopeiden valopohjaisten kytkinten kehittämisen", sanoo Julius-Maximilians-Universitätin (JMU) fyysikko tohtori Thorsten Feichtner.

JMU:n tutkimusryhmä yhteistyössä Southern Denmark Universityn (SDU) kanssa on nyt ottanut merkittävän askeleen eteenpäin valoantennien moduloinnissa: Se on onnistunut saavuttamaan sähköisesti ohjatun modulaation, joka osoittaa tien ultranopeaan aktiiviseen plasmoniikkaan ja näin ollen huomattavasti nopeampiin tietokonesiruihin.

Sen sijaan, että yritettiin muuttaa koko resonaattoria, tiimi keskittyi sen pinnan ominaisuuksien muuttamiseen. Tämä läpimurto saavutettiin saattamalla sähköisesti kosketuksiin yksittäinen resonaattori, kullasta valmistettu nanosauva - idea, joka on käsitteellisesti yksinkertainen, mutta se voidaan toteuttaa vain heliumionisuihkujen ja kullan nanokiteisiin perustuvan hienostuneen nanovalmistuksen avulla.

Tohtori Thorsten Feichtner selittää: "Vaikutus, jota käytämme, on verrattavissa Faradayn häkin periaatteeseen. Aivan kuten salaman iskemän auton elektronit kerääntyvät ulos ja sisällä olevat matkustajat ovat turvassa, lisäelektronit resonaattorimme pinnalla vaikuttavat sen optisiin ominaisuuksiin."

Tähän asti optisia antenneja voitiin melkein aina kuvata klassisesti: metallin elektronit yksinkertaisesti pysähtyvät nanohiukkasen reunaan, kuten vesi sataman seinämälle. Nyt mittaukset paljastivat kuitenkin muutoksia resonanssissa, joita ei voida enää selittää klassisilla termeillä: elektronit "tahrivat" metallin ja ilman välisen rajan yli, jolloin tuloksena on pehmeä, asteittainen siirtymä, joka muistuttaa hiekkarantaa, jollainen tavataan meren rannalla.

Näiden kvanttivaikutusten selittämiseksi SDU Odensen teoreetikot kehittivät puoliklassisen mallin. Se yhdistää kvanttiominaisuudet pintaparametriksi, jotta laskelmat voidaan suorittaa klassisilla menetelmillä.

Uusi malli pystyy toistamaan kokeet, mutta tarkalleen mitä monista kvanttivaikutuksista metallin pinnalla esiintyy, ei ole tällä hetkellä selvää. "Mutta tämän tutkimuksen myötä on nyt ensimmäistä kertaa mahdollista erityisesti suunnitella uusia antenneja ja sulkea pois tai vahvistaa yksittäisiä kvanttiefektejä", Thorsten Feichtner sanoo.

Pitkällä tähtäimellä tutkijat näkevät vielä enemmän sovelluksia: Pienemmät resonaattorit lupaavat korkean hyötysuhteen optisia modulaattoreita, joita voitaisiin käyttää teknologisesti. Esitetyllä järjestelmällä voidaan lisäksi tutkia pintaelektronien vaikutusta katalyyttisiin prosesseihin. Tämä antaisi uusia näkemyksiä energian muunto- ja varastointitekniikoista.

Tutkimus: Modulation of surface response in a single plasmonic nanoresonator

Aiheesta aiemmin:

Nanoantenneja tiedonsiirtoon

Optista logiikkaa ja reititystä