Nanoskala optisk switch bryder miniaturiseringsbarrieren

(Phys.org) — En ultrahurtig og ultralille optisk switch er blevet opfundet, der kunne fremskynde dagen, hvor fotoner erstatter elektroner i indvoldene af forbrugerprodukter lige fra mobiltelefoner til biler.

Den nye optiske enhed kan tænde og slukke billioner af gange i sekundet. Det består af individuelle kontakter, der kun er en fem hundrededele af bredden af ​​et menneskehår (200 nanometer) i diameter. Denne størrelse er meget mindre end den nuværende generation af optiske kontakter, og den bryder let en af ​​de store tekniske barrierer for spredningen af ​​elektroniske enheder, der registrerer og styrer lys:miniaturisere størrelsen af ​​ultrahurtige optiske kontakter.

Den nye enhed blev udviklet af et team af forskere fra Vanderbilt University, University of Alabama-Birmingham, og Los Alamos National Laboratory og er beskrevet i tidsskriftet 12. mar Nano bogstaver .

Den ultrahurtige kontakt er lavet af et kunstigt materiale, der er konstrueret til at have egenskaber, der ikke findes i naturen. I dette tilfælde, "metamaterialet" består af nanoskala partikler af vanadiumdioxid (VO ₂ ) - et krystallinsk fast stof, der hurtigt kan skifte frem og tilbage mellem et uigennemsigtigt, metallisk fase og en gennemsigtig, halvledende fase - som er deponeret på et glassubstrat og belagt med en "nanomesh" af små guld nanopartikler.

Forskerne rapporterer, at badning af disse forgyldte nanopartikler med korte impulser fra en ultrahurtig laser genererer varme elektroner i guldnanomeshen, der hopper ind i vanadiumdioxid og får den til at gennemgå sin faseændring i et par billioner sekunder af et sekund.

"Vi havde tidligere udløst denne overgang i vanadiumdioxid-nanopartikler direkte med lasere, og vi ville se, om vi også kunne gøre det med elektroner, sagde Richard Haglund, Stevenson professor i fysik ved Vanderbilt, der ledede undersøgelsen. "Det virker ikke kun, men injektionen af ​​varme elektroner fra guldnanopartiklerne udløser også transformationen med en femtedel til en tiendedel så meget energiinput, der kræves ved at skinne laseren direkte på den bare VO ₂ . "

Både industri og regering investerer massivt i bestræbelser på at integrere optik og elektronik, fordi det generelt betragtes som det næste trin i udviklingen af ​​informations- og kommunikationsteknologi. Intel, Hewlett-Packard og IBM har bygget chips med stigende optisk funktionalitet i de sidste fem år, der opererer ved gigahertz-hastigheder, en tusindedel af VO ₂ kontakt.

"Vanadiumdioxid -switches har en række egenskaber, der gør dem ideelle til optoelektroniske applikationer, " sagde Haglund. Ud over deres hurtige hastighed og lille størrelse, de:

• Er fuldstændig kompatible med den nuværende integrerede kredsløbsteknologi, både siliciumbaserede chips og de nye "high-K dielektriske" materialer, som halvlederindustrien udvikler for at fortsætte miniaturiseringsprocessen, der har været et vigtigt aspekt af mikroelektronik teknologiudvikling;
• Operere i det synlige og nær-infrarøde område af spektret, der er optimalt til telekommunikationsapplikationer;
• Generer en mængde varme pr. operation, der er lav nok til, at kontakterne kan pakkes tæt nok til at lave praktiske enheder:omkring ti billiontedele af en kalorie (100 femtojoule) pr. bit.

"Vanadiumdioxid's fantastiske egenskaber har været kendt i mere end et halvt århundrede. På Vanderbilt, vi har studeret VO ₂ nanopartikler i de sidste ti år, men materialet har været bemærkelsesværdigt succesfuldt til at modstå teoretiske forklaringer, "sagde Haglund." Det er først i de sidste par år, at intensive beregningsstudier har belyst den fysik, der ligger til grund for dens halvleder-til-metal-overgang. "

Vanderbilt -kandidatstuderende Kannatassen Appavoo og Joyeeta Nag fremstillede metamaterialet på Vanderbilt; Appavoo gik sammen med University of Alabama, Birmingham -kandidatstuderende Nathaniel Brady og professor David Hilton til at udføre de ultrahurtige lasereksperimenter med vejledning af Los Alamos National Laboratory -videnskabsmand Rohit Prasankumar og postdoktor Minah Seo. De teoretiske og beregningsmæssige undersøgelser, der hjalp med at optrevle den komplekse mekanisme af faseovergangen på nanoskala, blev udført af postdoc-studerende Bin Wang og Sokrates Pantelides, Universitetsudmærket professor i fysik og teknik på Vanderbilt.