Superhurtig fluorescens sætter ny hastighedsrekord

Forskere har udviklet en ultrahurtig lysemitterende enhed, der kan tænde og slukke 90 milliarder gange i sekundet og kan danne grundlag for optisk databehandling.

På sit mest grundlæggende niveau, din smartphones batteri driver milliarder af transistorer, der bruger elektroner til at tænde og slukke milliarder af gange i sekundet. Men hvis mikrochips kunne bruge fotoner i stedet for elektroner til at behandle og transmittere data, computere kunne fungere endnu hurtigere.

Men først skal ingeniører bygge en lyskilde, der kan tændes og slukkes så hurtigt. Mens lasere kan opfylde dette krav, de er for energikrævende og uhåndterlige til at blive integreret i computerchips.

Duke University-forskere er nu et skridt tættere på sådan en lyskilde. I en ny undersøgelse, et hold fra Pratt School of Engineering skubbede halvlederkvanteprikker til at udsende lys med mere end 90 gigahertz. Denne såkaldte plasmoniske enhed kan en dag bruges i optiske computingchips eller til optisk kommunikation mellem traditionelle elektroniske mikrochips.

Undersøgelsen blev offentliggjort online den 27. juli i Naturkommunikation .

"Det er noget, det videnskabelige samfund har ønsket at gøre i lang tid, sagde Maiken Mikkelsen, en assisterende professor i elektro- og computerteknik og fysik ved Duke. "Vi kan nu begynde at tænke på at lave hurtigskiftende enheder baseret på denne forskning, så der er meget spænding ved denne demonstration. "

Den nye hastighedsrekord blev sat ved hjælp af plasmonik. Når en laser skinner på overfladen af ​​en sølvterning på kun 75 nanometer bred, de frie elektroner på overfladen begynder at svinge sammen i en bølge. Disse svingninger skaber deres eget lys, som reagerer igen med de frie elektroner. Energi fanget på overfladen af ​​nanokuben på denne måde kaldes en plasmon.

Plasmonen skaber et intenst elektromagnetisk felt mellem sølvnanokuben og et tyndt ark guld placeret kun 20 atomer væk. Dette felt interagerer med kvanteprikker - kugler af halvledende materiale kun seks nanometer brede - der er klemt ind mellem nanokuben og guldet. Kvanteprikkerne, på tur, fremstille en retningsbestemt, effektiv emission af fotoner, der kan tændes og slukkes ved mere end 90 gigahertz.

"Der er stor interesse for at erstatte lasere med LED'er til optisk kortdistancekommunikation, men disse ideer har altid været begrænset af den langsomme emissionshastighed af fluorescerende materialer, mangel på effektivitet og manglende evne til at styre fotonerne, sagde Gleb Akselrod, en postdoc-forskning i Mikkelsens laboratorium. "Nu har vi taget et vigtigt skridt i retning af at løse disse problemer."

"Det endelige mål er at integrere vores teknologi i en enhed, der kan exciteres enten optisk eller elektrisk, " sagde Thang Hoang, også postdoc i Mikkelsens laboratorium. "Det er noget, som jeg tror, ​​at alle herunder finansieringsbureauer, presser ret hårdt på."

Gruppen arbejder nu på at bruge den plasmoniske struktur til at oprette en enkelt fotonkilde - en nødvendighed for ekstremt sikker kvantekommunikation - ved at klemme en enkelt kvanteprik i mellemrummet mellem sølvnanokuben og guldfolien. De forsøger også at placere og orientere kvanteprikkerne præcist for at skabe de hurtigst mulige fluorescenshastigheder.

Bortset fra dens potentielle teknologiske virkninger, forskningen viser, at velkendte materialer ikke behøver at være begrænset af deres iboende egenskaber.

"Ved at skræddersy miljøet omkring et materiale, som vi har gjort her med halvledere, vi kan skabe nye designermaterialer med næsten alle optiske egenskaber, vi ønsker, "sagde Mikkelsen." Og det er et voksende område, der er fascinerende at tænke på. "