Fysik opdagelse fører til ballistiske optiske materialer

Elektronik bliver i stigende grad parret med optiske systemer, som når man får adgang til internettet på en elektronisk kørt computer gennem fiberoptiske kabler.

Men mesh-optik – som er afhængig af partikler af lys kaldet fotoner – med elektronik – der er afhængig af elektroner – er udfordrende, på grund af deres forskellige skalaer. Elektroner arbejder i meget mindre skala end lys gør. Misforholdet mellem elektroniske systemer og optiske systemer betyder, at hver gang et signal konverteres fra det ene til det andet, ineffektivitet sniger sig ind i systemet.

Nu, et hold ledet af en videnskabsmand fra Purdue University har fundet en måde at skabe mere effektive metamaterialer ved hjælp af halvledere og et nyt aspekt af fysik, der forstærker elektronernes aktivitet. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Optica .

Denne nye klasse af materialer har potentialet til dramatisk at øge opløsningen i medicinsk scanning og videnskabelig billeddannelse og drastisk reducere størrelsen af ​​supercomputere, skabe en fremtid, hvor videnskabsmænd kan se små ting i langt større detaljer, og enheder er mindre og mere kraftfulde.

Forskere har arbejdet i årtier for at skrumpe fotoner ned til en nanometerskala for at gøre dem mere kompatible med elektroner - et felt kendt som nanofonik. Dette kan opnås ved hjælp af fordærvede materialer og dyre produktionsteknikker til fremstilling af såkaldte hyperbolske materialer. Brug af hyperbolske materialer, videnskabsmænd kan krympe fotoner ved at komprimere lyset, gør det lettere at kommunikere med elektriske systemer.

Evgenii Narimanov, en teoretisk fysiker og professor i elektro- og computerteknik ved Purdue, forklaret, "Det vigtigste ved hyperbolske materialer er, at de kan komprimere lys til næsten enhver skala. Når man kan gøre lys lille, du løser problemet med afbrydelsen mellem optik og elektronik. Så kan du lave meget effektiv optoelektronik."

Problemet ligger i at skabe disse hyperbolske materialer. De består typisk af sammenvævede lag af metaller og dielektrikum, og enhver overflade skal være så glat og fejlfri som muligt på atomniveau, noget der er svært, tidskrævende og dyrt.

Løsningen, Narimanov mener, omfatter halvledere. Ikke, understregede han, på grund af noget særligt ved selve halvlederne. Men fordi videnskabsmænd og forskere har viet de sidste 70 år eller mere til at producere højkvalitets halvledere effektivt. Narimanov spekulerede på, om han kunne udnytte denne færdighed og anvende den til at producere nye og forbedrede metamaterialer.

Desværre, halvledere er ikke i sig selv gode optiske metamaterialer; de har ikke nok elektroner. De kan arbejde ved relativt lave frekvenser, i mellem- til langt infrarød skala. Men for at forbedre billeddannelses- og sensorteknologier, forskere har brug for metamaterialer, der arbejder i det synlige på nær-infrarødt spektrum, ved meget kortere bølgelængder end den mellem- og fjerninfrarøde.

Narimanov og hans samarbejdspartnere opdagede og testede et optisk fænomen kaldet 'ballistisk resonans'. I disse nye optiske materialer, som kombinerer metamateriale-koncepter med den atomare præcision af enkelt-krystal halvledere, frie (ballistiske) elektroner interagerer med et oscillerende optisk felt.

Synkronisering af det optiske felt med frekvensen af ​​bevægelsen af ​​de frie elektroner, når de hopper inden for rammerne af de tynde ledende lag, danner kompositmaterialet, får elektronerne til at resonere, forstærke reaktionen af ​​hver elektron og skabe et metamateriale, der fungerer ved højere frekvenser. Mens forskerne endnu ikke var i stand til at nå bølgelængderne af det synlige spektrum, de fik 60 % af vejen dertil.

"Vi viste, at der er en fysikmekanisme, der gør dette muligt, " sagde Narimanov. "Før, folk var ikke klar over, at dette var noget, der kunne gøres. Vi har åbnet vejen. Vi viste, at det er teoretisk muligt, og så demonstrerede vi eksperimentelt 60 % forbedring i driftsfrekvensen i forhold til eksisterende materialer."

Narimanov opstod ideen og slog sig derefter sammen med Kun Li, Andrew Briggs, Seth Bank og Daniel Wasserman ved University of Texas, samt Evan Simmons og Viktor Podolskiy ved University of Massachusetts Lowell. Forskere fra University of Texas udviklede fabrikationsteknologien, mens Massachusetts Lowell-forskerne bidrog til den fulde kvanteteori og udførte de numeriske simuleringer for at være sikker på, at alt fungerede som planlagt.

"Vi vil fortsætte med at skubbe denne grænse, " sagde Narimanov. "Selv om vi er ekstremt succesfulde, ingen kommer til at få halvledermetamaterialer til det synlige og nær-infrarøde spektrum inden for et år eller to. Det kan tage omkring fem år. Men det, vi har gjort, er at give den materielle platform. Flaskehalsen for fotonik ligger i materialet, hvor elektroner og fotoner kan mødes på samme længdeskala, og vi har løst det."