Skræddersy optiske processorer:Arrangering af nanopartikler i geometriske mønstre giver mulighed for kontrol af lys med lys

Rice University-forskere har afsløret en robust ny metode til at arrangere metalnanopartikler i geometriske mønstre, der kan fungere som optiske processorer, der transformerer indkommende lyssignaler til output af en anden farve. Gennembruddet af et team af teoretiske og anvendte fysikere og ingeniører ved Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) er beskrevet i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Rices team brugte metoden til at skabe en optisk enhed, hvor indkommende lys kunne styres direkte med lys via en proces kendt som "fire-bølgeblanding." Fire-bølge blanding er blevet undersøgt bredt, men Rice's disc-patterning-metode er den første, der kan producere materialer, der er skræddersyet til at udføre fire-bølge-blanding med en bred vifte af farvede input og output.

"Alsidighed er en af ​​fordelene ved denne proces, " sagde undersøgelsens medforfatter Naomi Halas, direktør for LANP og Rice's Stanley C. Moore professor i elektro- og computerteknik og professor i biomedicinsk teknik, kemi, fysik og astronomi. "Det giver os mulighed for at blande farver på en meget generel måde. Det betyder ikke kun, at vi kan sende stråler af to forskellige farver ind og få en tredje farve ud, men vi kan finjustere arrangementerne for at skabe enheder, der er skræddersyet til at acceptere eller producere et bredt spektrum af farver."

Den informationsbehandling, der finder sted inde i nutidens computere, smartphones og tablets er elektroniske. Hver af de milliarder af transistorer i en computerchip bruger elektriske input til at reagere på og modificere de elektriske signaler, der passerer gennem den. Behandling af information med lys i stedet for elektricitet kunne give mulighed for computere, der er både hurtigere og mere energieffektive, men at bygge en optisk computer er kompliceret af de kvanteregler, som lys adlyder.

"I de fleste tilfælde, en lysstråle vil ikke interagere med en anden, " sagde LANP-teoretisk fysiker Peter Nordlander, medforfatter til det nye studie. "For eksempel, hvis du lyser med en lommelygte på en væg, og du krydser den stråle med strålen fra en anden lommelygte, det bliver lige meget. Lyset der kommer ud af den første lommelygte vil passere igennem, uafhængig af lyset fra den anden.

"Dette ændrer sig, hvis lyset bevæger sig i et 'ikke-lineært medium, '" sagde han. "De elektromagnetiske egenskaber af et ikke-lineært medium er sådan, at lyset fra en stråle vil interagere med en anden. Så, hvis du lyser de to lommelygter gennem et ikke-lineært medium, intensiteten af ​​strålen fra den første lommelygte vil blive reduceret proportionalt med intensiteten af ​​den anden stråle."

Mønstrene af metalskiver, LANP-forskere skabte til PNAS undersøgelse er en type ikke-lineære medier. Holdet brugte elektronstrålelitografi til at ætse puckformede guldskiver, der blev placeret på en gennemsigtig overflade til optisk test. Diameteren af ​​hver skive var omkring en tusindedel af bredden af ​​et menneskehår. Hver blev designet til at høste energien fra en bestemt lysfrekvens; ved at arrangere et dusin af skiverne i et mønster med tæt afstand, holdet var i stand til at forbedre systemets ikke-lineære egenskaber ved at skabe intense elektriske felter.

"Vores system udnytter en særlig plasmonisk effekt kaldet Fano-resonans for at øge effektiviteten af ​​den relativt svage ikke-lineære effekt, der ligger til grund for fire-bølge-blanding, " sagde Nordlander. "Resultatet er et boost i intensiteten af ​​den tredje farve af lys, som enheden producerer."

Kandidatstuderende og medforfatter Yu-Rong Zhen beregnede det præcise arrangement af 12 diske, der ville være påkrævet for at producere to sammenhængende Fano-resonanser i en enkelt enhed, og kandidatstuderende og hovedmedforfatter Yu Zhang skabte den enhed, der producerede fire-bølge-blandingen - det første sådant materiale nogensinde skabt.

"Enheden Zhang skabte til fire-bølge blanding er den mest effektive endnu produceret til det formål, men værdien af ​​denne forskning går ud over designet til denne særlige enhed, " sagde Halas, som for nylig blev udnævnt til medlem af National Academy of Sciences for sin banebrydende forskning i nanofotonik. "De metoder, der bruges til at skabe denne enhed, kan anvendes til produktion af en bred vifte af ikke-lineære medier, hver med skræddersyede optiske egenskaber."