Atomisk tyndt materiale åbner døren for integrerede nanofotoniske kredsløb

En ny kombination af materialer kan effektivt lede elektricitet og lys langs den samme lille ledning, et fund, der kunne være et skridt i retning af at bygge computerchips, der er i stand til at transportere digital information med lysets hastighed.

Rapportering i dag i The Optical Society's (OSA) højtydende tidsskrift Optica , optiske og materialeforskere ved University of Rochester og Swiss Federal Institute of Technology i Zürich beskriver et grundlæggende modelkredsløb bestående af en sølv nanotråd og en enkelt-lags flage af molybendum disulfid (MoS2).

Brug af en laser til at excitere elektromagnetiske bølger kaldet plasmoner på overfladen af ​​ledningen, forskerne fandt ud af, at MoS2-flaken i den fjerneste ende af ledningen genererede en kraftig lysemission. Går i den anden retning, da de exciterede elektroner slappede af, de blev opsamlet af tråden og omdannet tilbage til plasmoner, som udsender lys af samme bølgelængde.

"Vi har fundet ud af, at der er udtalt nanoskala lys-stof interaktion mellem plasmoner og atomisk tyndt materiale, der kan udnyttes til nanofotoniske integrerede kredsløb, " sagde Nick Vamivakas, assisterende professor i kvanteoptik og kvantefysik ved University of Rochester og seniorforfatter af papiret.

Typisk ville omkring en tredjedel af den resterende energi gå tabt for hvert par mikrometer (milliontedele af en meter), plasmonerne rejste langs ledningen, forklarede Kenneth Goodfellow, en kandidatstuderende ved Rochester's Institute of Optics og hovedforfatter af Optica papir.

"Det var overraskende at se, at der var nok energi tilbage efter rundrejsen, " sagde Goodfellow.

Fotoniske enheder kan være meget hurtigere end elektroniske, men de er mere omfangsrige, fordi enheder, der fokuserer lys, ikke kan miniaturiseres nær så godt som elektroniske kredsløb, sagde Goodfellow. De nye resultater lover at styre transmissionen af ​​lys, og opretholde intensiteten af ​​signalet, i meget små dimensioner.

Lige siden opdagelsen af ​​grafen, et enkelt lag kulstof, der kan udvindes fra grafit med klæbende tape, videnskabsmænd har hurtigt udforsket verden af ​​todimensionelle materialer. Disse materialer har unikke egenskaber, der ikke ses i deres bulkform.

Ligesom grafen, MoS2 er opbygget af lag, der er svagt bundet til hinanden, så de nemt kan skilles ad. I bulk MoS2, elektroner og fotoner interagerer, som de ville i traditionelle halvledere som silicium og galliumarsenid. Da MoS2 reduceres til tyndere og tyndere lag, overførslen af ​​energi mellem elektroner og fotoner bliver mere effektiv.

Nøglen til MoS2's ønskelige fotoniske egenskaber ligger i strukturen af ​​dets energibåndgab. Efterhånden som materialets lagantal falder, det går fra et indirekte til et direkte båndgab, som gør det muligt for elektroner nemt at bevæge sig mellem energibånd ved at frigive fotoner. Grafen er ineffektivt til lysemission, fordi det ikke har noget båndgab.

Kombination af elektronik og fotonik på de samme integrerede kredsløb kan drastisk forbedre ydeevnen og effektiviteten af ​​mobilteknologi. Forskerne siger, at næste skridt er at demonstrere deres primitive kredsløb med lysdioder.