Udvikling af teknologier, der kører på lys

Fremtiden for hurtigere, mere effektiv informationsbehandling kan komme ned på lys snarere end elektricitet. Mark Lawrence, en postdoktor i materialevidenskab og teknik ved Stanford, har rykket et skridt tættere på denne fremtid med et skema til at lave en fotondiode - en enhed, der tillader lys kun at strømme i én retning - som, i modsætning til andre lysbaserede dioder, er lille nok til forbrugerelektronik.

Alt, hvad han skulle gøre, var at designe mindre end mikroskopiske strukturer og bryde en grundlæggende fysiksymmetri.

"Dioder er allestedsnærværende i moderne elektronik, fra LED'er (lysemitterende dioder) til solceller (i det væsentlige LED'er kører i omvendt rækkefølge) til integrerede kredsløb til databehandling og kommunikation, " sagde Jennifer Dionne, lektor i materialevidenskab og teknik og seniorforfatter på papiret, der beskriver dette arbejde, udgivet 24. juli i Naturkommunikation . "Opnå kompakt, effektive fotoniske dioder er altafgørende for at muliggøre næste generations databehandling, kommunikation og endda energikonverteringsteknologier."

På dette tidspunkt, Dionne og Lawrence har designet den nye fotondiode og kontrolleret deres design med computersimuleringer og beregninger. De har også skabt de nødvendige nanostrukturer - de brugerdefinerede komponenter, der er mindre end mikroskopiske - og installerer den lyskilde, som de håber vil bringe deres teoretiserede system til live.

"En storslået vision er at have en helt optisk computer, hvor elektricitet erstattes fuldstændig af lys, og fotoner driver al informationsbehandling, Lawrence sagde. "Den øgede hastighed og båndbredde af lys ville muliggøre hurtigere løsninger til nogle af de sværeste videnskabelige, matematiske og økonomiske problemer."

Snurrende lys, bryde love

De største udfordringer ved en lys-baseret diode er to-fold. Først, efter termodynamikkens love, lys skal bevæge sig fremad gennem et objekt uden bevægelige dele på nøjagtig samme måde, som det ville bevæge sig baglæns. At få det til at flyde i én retning kræver nye materialer, der vælter denne lov, bryde det, der er kendt som tidsvendende symmetri. Sekund, lys er meget sværere at manipulere end elektricitet, fordi det ikke har ladning.

Andre forskere har tidligere taklet disse udfordringer ved at lede lys gennem en polarisator - som får lysbølgerne til at oscillere i en ensartet retning - og derefter gennem et krystallinsk materiale i et magnetfelt, som roterer lysets polarisering. Endelig, en anden polarisator, der matcher denne polarisering, sender lyset ud med næsten perfekt transmission. Hvis lys ledes gennem enheden i den modsatte retning, intet lys kommer ud.

Lawrence beskrev envejshandlingen af ​​dette tredelte setup, kendt som en Faraday isolator, som at tage et bevægeligt fortov mellem to døre, hvor fortovet spiller rollen som magnetfeltet. Selv hvis du prøvede at gå baglæns gennem den sidste dør, fortovet ville normalt forhindre dig i at nå den første dør.

For at frembringe en kraftig nok rotation af lyspolarisationen, disse slags dioder skal være relativt store - alt for store til at passe ind i forbrugercomputere eller smartphones. Som et alternativ, Dionne og Lawrence fandt på en måde at skabe rotation i krystal ved hjælp af en anden lysstråle i stedet for et magnetfelt. Denne stråle er polariseret, så dens elektriske felt antager en spiralbevægelse, som på tur, genererer roterende akustiske vibrationer i krystallen, der giver den magnetisk-lignende spindeevne og gør det muligt for mere lys at komme ud. For at gøre strukturen både lille og effektiv, Dionne-laboratoriet stolede på sin ekspertise i at manipulere og forstærke lys med små nano-antenner og nanostrukturerede materialer kaldet metasurfaces.

Forskerne designede arrays af ultratynde siliciumskiver, der arbejder i par for at fange lyset og forbedre dets spiralbevægelse, indtil det finder vej ud. Dette resulterer i høj transmission i fremadgående retning. Når den lyser i baglæns retning, de akustiske vibrationer spinder i den modsatte retning og hjælper med at udelukke ethvert lys, der prøver at komme ud. Teoretisk set, der er ingen grænser for, hvor lille dette system kan være. For deres simuleringer, de forestillede sig strukturer så tynde som 250 nanometer. (Til reference, et ark papir er omkring 100, 000 nanometer tyk.)

Hvad er muligt

Store billede, forskerne er særligt interesserede i, hvordan deres ideer kan påvirke udviklingen af ​​hjernelignende computere, kaldet neuromorfe computere. Dette mål vil også kræve yderligere fremskridt inden for andre lysbaserede komponenter, såsom lyskilder og kontakter i nanoskala.

"Vores nanofotoniske enheder kan give os mulighed for at efterligne, hvordan neuroner beregner - hvilket giver computere den samme høje sammenkobling og energieffektivitet i hjernen, men med meget hurtigere computerhastigheder, " sagde Dionne.

"Vi kan tage disse ideer i så mange retninger, " sagde Lawrence. "Vi har ikke fundet grænserne for klassisk eller kvanteoptisk databehandling og optisk informationsbehandling. En dag kunne vi have en helt optisk chip, der gør alt, hvad elektronik gør og mere."