Ingeniører viser, at lys kan spille vippe på nanoskala

University of Minnesota elektriske ingeniørforskere har udviklet en unik enhed i nanoskala, der for første gang demonstrerer mekanisk transport af lys. Opdagelsen kan få store konsekvenser for at skabe hurtigere og mere effektive optiske enheder til beregning og kommunikation.

Forskningspapiret fra University of Minnesotas el- og computeringeniørassistent Mo Li og hans kandidatstuderende Huan Li er blevet offentliggjort online og vil blive vist i oktoberudgaven af Natur nanoteknologi .

Forskere udviklede en ny enhed i nanoskala, der kan fange, måle og transportere grundlæggende lyspartikler, kaldet fotoner. Den lille enhed er kun 0,7 mikrometer gange 50 mikrometer (ca. 0,00007 gange 0,005 centimeter) og fungerer næsten som en vippe. På hver side af "vippebænkene, "Forskere ætset en række huller, kaldet fotoniske krystalhulrum. Disse hulrum fanger fotoner, der strømmede fra en nærliggende kilde.

Selvom lyspartiklerne ikke har nogen masse, de fangede fotoner var i stand til at spille vippe, fordi de genererede optisk kraft. Forskere sammenlignede de optiske kræfter, der genereres af de fotoner, der fanges i hulrummene på de to sider af vippen ved at observere, hvordan vippen bevægede sig op og ned. På denne måde forskerne vejede fotonerne. Deres enhed er følsom nok til at måle kraften genereret af en enkelt foton, hvilket svarer til omkring en tredjedel af en tusinde trilliontedel af et pund eller en syvendedel af en tusinde trilliontedel af et kilogram.

Professor Li og hans forskerhold brugte også vippen til for første gang eksperimentelt at demonstrere den mekaniske styring af lystransport.

"Da vi fyldte hulrummet på venstre side med fotoner og efterlod hulrummet på højre side tomt, kraften genereret af fotonerne begyndte at svinge vippen. Når svingningen var stærk nok, fotonerne kan vælte langs strålen fra det fyldte hulrum til det tomme hulrum under hver cyklus, " sagde Li. "Vi kalder fænomenet 'foton shuttling'."

Jo stærkere svingningen er, jo flere fotoner shuttles til den anden side. I øjeblikket har holdet været i stand til at transportere ca. 000 fotoner i en cyklus. Til sammenligning, en 10W pære udsender 1020 fotoner hvert sekund. Holdets ultimative mål er kun at transportere én foton i en cyklus, så lysets kvantefysik kan afsløres og udnyttes.

"Evnen til mekanisk at kontrollere fotonbevægelser i modsætning til at kontrollere dem med dyre og besværlige optoelektroniske enheder kunne repræsentere et betydeligt fremskridt inden for teknologi, " sagde Huan Li, avisens hovedforfatter.

Forskningen kunne bruges til at udvikle en ekstremt følsom mikromekanisk måde at måle acceleration af en bil eller en løber, eller kunne bruges som en del af et gyroskop til navigation, sagde Li.

I fremtiden, forskerne planlægger at bygge sofistikerede foton-shuttles med flere fælder på hver side af vippeanordningen, der kunne transportere fotoner over større afstande og med højere hastigheder. De forventer, at sådanne enheder kan spille en rolle i udviklingen af ​​mikroelektroniske kredsløb, der ville bruge lys i stedet for elektroner til at transportere data, hvilket ville gøre dem hurtigere og forbruger mindre strøm end traditionelle integrerede kredsløb.