Ingeniører blander effektivt lys på nanoskala

Kapløbet om at gøre computerkomponenter mindre og hurtigere og bruge mindre strøm skubber grænserne for elektronernes egenskaber i et materiale. Fotoniske systemer kan i sidste ende erstatte elektroniske, men det grundlæggende ved beregning, blande to indgange til et enkelt output, kræver i øjeblikket for meget plads og strøm, når de er færdige med lys.

Forskere ved University of Pennsylvania har konstrueret et nanowire-system, der kunne bane vejen for denne evne, at kombinere to lysbølger for at producere en tredje med en anden frekvens og bruge et optisk hulrum til at forstærke intensiteten af ​​output til et brugbart niveau.

Undersøgelsen blev ledet af Ritesh Agarwal, professor i materialevidenskab og teknik ved Penn's School of Engineering and Applied Science, og Ming-Liang Ren, en post-doc forsker i sit laboratorium. Andre medlemmer af Agarwal-laboratoriet, Wenjing Liu, Carlos O. Aspetti og Liaoxin Sun, bidraget til undersøgelsen.

Den blev udgivet i Naturkommunikation .

Nuværende computersystemer repræsenterer bits af information - 1'erne og 0'erne af binær kode - med elektricitet. Kredsløbselementer, såsom transistorer, arbejde på disse elektriske signaler, producerer output, der er afhængige af deres input.

"At blande to indgangssignaler for at få et nyt output er grundlaget for beregningen, " sagde Agarwal. "Det er nemt at gøre med elektriske signaler, men det er ikke let at gøre med lys, da lysbølger normalt ikke interagerer med hinanden."

Vanskeligheden ved at "blande" lys kan virke kontraintuitiv, givet farveskalaen på tv eller computerskærm, der udelukkende er produceret af kombinationer af rødt, grønne og blå pixels. De gule, appelsiner og lilla disse skærme laver, imidlertid, er et trick af opfattelse, ikke af fysik. Rødt og blåt lys opleves simpelthen samtidigt, snarere end kombineret til en enkelt lilla bølgelængde.

Såkaldte "ikke-lineære" materialer er i stand til denne form for blanding, men selv de bedste kandidater i denne kategori er endnu ikke levedygtige til beregningsmæssige applikationer på grund af høj effekt og store volumen begrænsninger.

"Et ikke-lineært materiale, sådan et cadmiumsulfid, kan ændre frekvensen, og dermed farven, af lys, der passerer gennem det, " sagde Ren, "men du har brug for en kraftig laser, og, ikke desto mindre, materialet skal være mange mikrometer og endda op til millimeter tykt. Det virker ikke for en computerchip."

For at reducere volumen af ​​materialet og styrken af ​​det lys, der er nødvendigt for at udføre nyttig signalblanding, forskerne havde brug for en måde at forstærke intensiteten af ​​en lysbølge, da den passerede gennem en cadmiumsulfid nanotråd.

Forskerne opnåede dette gennem en smart smule optisk teknik:delvist at pakke nanotråden ind i en sølvskal, der fungerer som et ekkokammer. Agarwals gruppe havde tidligere brugt et lignende design i et forsøg på at skabe fotoniske enheder, der kunne tænde og slukke meget hurtigt. Denne kvalitet var afhængig af et fænomen kendt som overfladeplasmonresonans, men, ved at ændre polariseringen af ​​lyset, når det trænger ind i nanotråden, forskerne var i stand til bedre at begrænse det til frekvensændringen, ikke-lineær del af enheden:nanotrådskernen.

"Ved at konstruere strukturen, så lyset for det meste er indeholdt i cadmiumsulfidet i stedet for ved grænsefladen mellem det og sølvskallen, vi kan maksimere intensiteten, mens vi genererer den anden harmoniske, " sagde Ren.

Som en anden harmonisk spillet på en guitarstreng, det betød en fordobling af lysbølgens frekvens. Information i et fotonisk computersystem kunne kodes i en bølges frekvens, eller antallet af svingninger, den laver på et sekund. At være i stand til at manipulere denne kvalitet i én bølge med en anden giver mulighed for det grundlæggende i computerlogik.

"Vi vil vise, at vi kan summere to frekvenser af lys, "Agarwal sagde, "så vi forenklede eksperimentet. Ved at tage en frekvens og tilføje den til sig selv, du får dobbelt frekvens i sidste ende. Ultimativt, vi ønsker at være i stand til at indstille lyset til den frekvens, der er behov for, hvilket kan gøres ved at ændre størrelsen på nanotråden og skallen."

Mest vigtige, imidlertid, var, at denne frekvensblanding var mulig på nanoskala med meget høj effektivitet. Forskernes optiske hulrum var i stand til at øge outputbølgens intensitet med mere end tusind gange.

"Den frekvensskiftende effektivitet af cadmiumsulfid er iboende for materialet, men det afhænger af volumenet af det materiale bølgen passerer igennem, " sagde Agarwal. "Ved at tilføje sølvskallen, vi kan reducere den nødvendige lydstyrke betydeligt for at få et brugbart signal og skubbe enhedsstørrelsen ind i nanoskalaen."