Nanoteknologieksperter opretter den første optiske kontakt med terahertz-hastighed-polarisering

Et Sandia National Laboratories-ledet team har for første gang brugt optik frem for elektronik til at skifte en nanometer-tyk tyndfilm-enhed fra helt mørk til helt gennemsigtig, eller lys, med en hastighed på billioner af et sekund.

Teamet ledet af hovedforsker Igal Brener offentliggjorde en Natur fotonik papir i foråret med samarbejdspartnere ved North Carolina State University. Papiret beskriver arbejdet med optisk informationsbehandling, såsom kobling eller lyspolariseringskontrol ved hjælp af lys som kontrolstråle, ved terahertz -hastigheder, en sats meget hurtigere end hvad der i dag kan opnås elektronisk, og en mindre samlet enhedsstørrelse end andre altoptiske switchteknologier.

Elektroner, der snurrer rundt inde i enheder som dem, der bruges i telekommunikationsudstyr, har en hastighedsgrænse på grund af en langsom opladningshastighed og dårlig varmeafledning, så hvis betydeligt hurtigere drift er målet, elektroner skal muligvis vige for fotoner.

For at bruge fotoner effektivt, teknikken kræver en enhed, der går fra helt lys til helt mørk ved terahertz -hastigheder. I fortiden, forskere kunne ikke få den nødvendige kontrastændring fra en optisk switch med den hastighed, der var nødvendig i en lille enhed. Tidligere forsøg var mere som at dæmpe et lys end at slukke det, eller krævet lys for at rejse en lang afstand.

Gennembruddet viser, at det er muligt at foretage højkontrast all-optisk switch i en meget tynd enhed, hvor lysintensitet eller polarisering skiftes optisk, sagde Yuanmu Yang, en tidligere Sandia Labs postdoc-medarbejder, der arbejdede på Center for Integrated Nanotechnologies, en Department of Energy -brugerfacilitet, der i fællesskab drives af Sandia og Los Alamos nationale laboratorier. Arbejdet blev udført på CINT.

"I stedet for at tænde og slukke en strøm, målet ville være at tænde og slukke lyset med meget hurtigere hastigheder, end hvad der kan opnås i dag, " sagde Yang.

Hurtigere informationsbehandling vigtig i kommunikation, fysik forskning

En meget hurtig og kompakt switch -platform åbner op for en ny måde at undersøge grundlæggende fysiske problemer. "Mange fysiske processer sker faktisk med en meget hurtig hastighed, med en hastighed på et par terahertz, "Yang sagde." Med dette værktøj kan vi studere dynamikken i fysiske processer som molekylær rotation og magnetisk spin. Det er vigtigt for forskning og for at flytte viden videre. "

Det kunne også fungere som en hurtig polarisationsomskifter - polarisering ændrer lysets egenskaber - der kunne bruges til biologisk billeddannelse eller kemisk spektroskopi, Sagde Brener. "Nogle gange laver man målinger, der kræver, at man ændrer lysets polarisering i en meget hurtig hastighed. Vores enhed kan også fungere sådan. Det er enten en absolut kontakt, der tænder og slukker, eller en polarisationskontakt, der bare skifter lysets polarisering."

Ultrahurtig informationsbehandling "betyder noget i computing, telekommunikation, signalbehandling, billedbehandling og i kemi og biologi eksperimenter, hvor du vil have meget hurtigt skift, "Brener sagde." Der er nogle laserbaserede billeddannelsesteknikker, der også vil have fordel af at have hurtigt skift. "

Teamets opdagelse stammer fra forskning finansieret af Energiafdelingens grundlæggende energividenskaber, Afdeling for materialevidenskab og teknik, at, blandt andet, lader Sandia studere lys-stof-interaktion og forskellige begreber inden for nanofotonik.

"Dette er et eksempel, hvor det bare voksede organisk fra grundforskning til noget, der har en fantastisk præstation, "Sagde Brener." Også, vi var heldige, at vi havde et samarbejde med North Carolina State University. De havde materialet, og vi indså, at vi kunne bruge det til dette formål. Det var ikke drevet af et anvendt projekt; det var omvendt."

Teknikken bruger laserstråler til at bære information, skifte enhed

Teknikken bruger to laserstråler, en bærer oplysningerne og den anden tænder og slukker enheden.

Koblingsstrålen bruger fotoner til at opvarme elektroner inde i halvledere til temperaturer på et par tusinde grader Fahrenheit, hvilket ikke får prøven til at blive så varm, men dramatisk ændrer materialets optiske egenskaber. Materialet slapper også af ved terahertz -hastigheder, på et par hundrede femtosekunder eller på mindre end en billionion af et sekund. "Så vi kan tænde og slukke dette materiale med en hastighed på et par billioner gange i sekundet, "Sagde Yang.

Sandia -forskere tænder og slukker den optiske switch ved at skabe noget, der kaldes et plasmonisk hulrum, som begrænser lys inden for få snesevis af nanometer, og øger interaktionen mellem lys og substans betydeligt. Ved at bruge et specielt plasmonisk materiale, dopet cadmiumoxid fra North Carolina State, de byggede et plasmonisk hulrum af høj kvalitet. Opvarmning af elektroner i det dopede cadmiumoxid ændrer drastisk de opto-elektriske egenskaber af plasmonikhulrummet, modulere intensiteten af ​​det reflekterede lys.

Traditionelle plasmoniske materialer som guld eller sølv er næppe følsomme over for den optiske kontrolstråle. At skinne en stråle på dem ændrer ikke deres egenskaber fra lys til mørkt eller omvendt. Den optiske kontrolstråle, imidlertid, ændrer det dopede cadmiumoxidhulrum meget hurtigt, styrer dets optiske egenskaber som en tænd / sluk-kontakt.

Det næste trin er at finde ud af, hvordan man bruger elektriske impulser frem for optiske pulser til at aktivere kontakten, da en heloptisk tilgang stadig kræver stort udstyr, sagde Brener. Han vurderer, at arbejdet kan tage tre til fem år.

"Af praktiske formål, du skal miniaturisere og gøre dette elektrisk, " han sagde.

Papirets forfattere er Yang, Brener, Salvatore Campione, Willie Luk og Mike Sinclair på Sandia Labs og Jon-Paul Maria, Kyle Kelley og Edward Sachet i North Carolina State.