Brug af kulstof til at styre lyset

(Phys.org) – Vendningen af ​​en lyskontakt – en lyskontakt i nanoskala – kan en dag dramatisk øge hastigheden af ​​datatransmission, fra streaming af film til at accelerere den mest dataintensive beregning. I dag, informationsflowet i en computer er baseret på elektriske impulser. Men hvis et elektrisk signal i stedet kunne styre en lyskontakt, de "enere og nuller", der giver data mening, kunne køre gennem computerkredsløb med ti gange den nuværende hastighed. En ti-dobling af hastigheden ville betyde en lignende stigning i mængden af ​​information, der kan behandles.

Selvfølgelig, elektriske signaler bruges til at modulere lys i de optiske fibre, der transmitterer enorme mængder data rundt om hjørnet og rundt i verden. Men at udnytte lys til at øge kommunikationen mellem chips i et computerkredsløb har vist sig at være et uhåndgribeligt mål. På omfanget af computerkredsløb, materialer som silicium kan ikke absorbere lys effektivt, og enheder, der kan fungere godt, er for omfangsrige til at blive integreret i en chip.

Så spændingen er høj, at grafen, et materiale under intens undersøgelse i kun et årti, kan gøre tricket. Enkeltatomtykke kulstofgrafenkrystaller absorberer alle bølgelængder af lys, og ved visse spændinger, elektriske impulser kan tænde og slukke for materialets lysabsorption – nøglen til datatransmission. Denne egenskab og grafenens "fodaftryk" i nanostørrelse gør den til en ideel kandidat til optiske enheder i ultra-miniature, der kunne installeres i tusindvis på en chip for at kontrollere trafikstrømmen.

"Vi er der ikke endnu, " siger Feng Wang, assisterende professor i fysik og en Bakar Fellow, "men grafens bemærkelsesværdige kombination af elektriske og optiske egenskaber, og dets potentiale for nanofabrikation lover meget for optoelektronik."

Wangs laboratorium studerer, hvordan elektriske felter modulerer de optiske egenskaber af en række materialer. Bakar Fellows-programmet støtter hans bestræbelser på at udvikle grafenmodulatorer til chip-til-chip-kommunikation. Fordi han manipulerer fotoner, han kan lave meget af forskningen under et optisk mikroskop. Ved denne relativt lave forstørrelse, et grafenlag ligner et kontinuerligt tyndt ark. Men under kraften af ​​et scanning tunnelmikroskop, der kan opløse individuelle atomer, materialets kyllingetrådslignende atomkonfiguration vises.

Wang voksede op i Nanchang i det sydlige Kina og gik på college i Shanghai. Han modtog sin ph.d. i fysik ved Columbia og var postdoc ved Berkeley, før han kom til fysikfakultetet. Hans fokus på grafens potentiale til at øge chip-til-chip ydeevne i computerkredsløb begyndte for omkring seks år siden. Inden da, han studerede kulstof nanorør, et endimensionelt kulstofmateriale.

"Vores laboratorium fokuserer hovedsageligt på den grundlæggende fysik af, hvordan lys interagerer med materialer på nanoskala, og hvilke nye egenskaber dukker op, " siger Wang. Dette rummer en masse fascination for mig.

"Men at udforske måder at udnytte nogle af disse nye adfærd inden for mikroelektronik er lige så spændende. Grundforskningen kan afsløre virkelige applikationer. Det er en fantastisk kombination."

Ude i horisonten, Wang kan se grafen integreret i infrarøde billedapparater og optiske sensorer, og muligvis bruges til at detektere afslørende ændringer i syge celler. Metabolisme ændrer pH, eller surhedsgrad, af celler, og hurtigt-metaboliserende kræftceller har distinkte metaboliske signaturer. Lokale pH-variationer, på tur, ændre de optiske absorptionsegenskaber af grafen. Dette kan måles for at hjælpe med diagnosen.

Tilsvarende grafen kan en dag hjælpe med at opdage neurologisk sygdom. Neuroner kommunikerer med impulser af ioner - deres såkaldte "aktionspotentiale" - og frigivelsen af ​​ioner modificerede den optiske absorption af grafen. En sådan ændring i grafen kunne potentielt bruges til at detektere neuronaktivitet.

Disse applikationer er langt fremme, Wang siger, selvom det slet ikke er udelukket. For nu, han virker fuldt ud optaget af fysikken i dette virkelig absorberende nanomateriale.