Silicium-baserede metamaterialer kunne bringe fotoniske kredsløb

Nye gennemsigtige metamaterialer under udvikling kunne muliggøre computerchips og sammenkoblingskredsløb, der bruger lys i stedet for elektroner til at behandle og transmittere data, repræsenterer et potentielt spring i ydeevne.

Selvom optiske fibre nu bruges til at transmittere store mængder data over store afstande, teknologien kan ikke let miniaturiseres, fordi lysets bølgelængde er for stor til at passe inden for mikrokredsløbs minimale dimensioner.

"Optiske fibres rolle er at lede lys fra punkt A til punkt B, faktisk, på tværs af kontinenter, " sagde Zubin Jacob, en assisterende professor i el- og computerteknik ved Purdue University. "Den største fordel ved at gøre dette sammenlignet med kobberkabler er, at det har en meget høj båndbredde, så store mængder data kan passere gennem disse optiske kabler i modsætning til kobberledninger. Imidlertid, på vores computere og forbrugerelektronik bruger vi stadig kobberledninger mellem forskellige dele af chippen. Årsagen er, at man ikke kan begrænse lys til samme størrelse som en kobbertråd i nanoskala."

Gennemsigtige metamaterialer, nanostrukturerede kunstige medier med gennemsigtige byggesten, tillade hidtil uset kontrol af lyset og kan repræsentere en løsning. Forskere gør fremskridt med at udvikle metamaterialer, der formindsker lysets bølgelængde, peger på en strategi for at bruge lys i stedet for elektroner til at behandle og transmittere data i computerchips.

"Hvis du har kommunikation med meget høj båndbredde på chippen såvel som forbinder kredsløb mellem chips, du kan gå til hurtigere urhastigheder, så hurtigere databehandling, " sagde Jacob. Et sådant fremskridt kunne gøre det muligt at formindske omfanget af en højtydende computerklynge til størrelsen af ​​en standard desktop-maskine.

I modsætning til nogle af de metamaterialer, der er under udvikling, som er afhængige af brugen af ​​ædle metaller som guld og sølv, de nye metamaterialer er udelukkende lavet af dielektriske materialer, eller isolatorer og ikke-metaller. Denne tilgang kunne gøre det muligt for forskere at overvinde en stor begrænsning, man har stødt på hidtil i udviklingen af ​​teknologier baseret på metamaterialer:Brug af metaller resulterer i tab af for meget lys til at være praktisk til mange anvendelser.

En anmeldelsesartikel om alle-dielektriske metamaterialer dukkede op online denne måned i tidsskriftet Natur nanoteknologi , fremhæver den hurtige udvikling inden for dette nye forskningsfelt. Artiklen er forfattet af ph.d.-studerende Saman Jahani og Jacob.

"En nøglefaktor er, at vi slet ikke bruger metaller i dette metamateriale, fordi hvis du bruger metaller, går meget af lyset i varme og går tabt, " sagde Jacob. "Vi ønsker at bringe alt til siliciumplatformen, fordi dette er det bedste materiale til at integrere elektroniske og fotoniske enheder på den samme chip."

En kritisk detalje er materialets "anisotrope hastighed" - hvilket betyder, at lys transmitteres meget hurtigere i én retning gennem materialet end i en anden. Konventionelle materialer transmitterer lys med næsten samme hastighed, uanset hvilken retning det bevæger sig gennem materialet.

"Den vanskelige del af dette arbejde er, at vi kræver, at materialet er meget anisotropt, " sagde han. "Så i én retning bevæger lyset sig næsten lige så hurtigt, som det ville i et vakuum, og i den anden retning bevæger den sig, som den ville i silicium, hvilket er omkring fire gange langsommere."

Innovationen kunne gøre det muligt at ændre et fænomen kaldet "total intern refleksion, " det princip, der i øjeblikket bruges til at lede lys i fiberoptik. Forskerne arbejder på at konstruere total intern refleksion i optiske fibre omgivet af det nye siliciumbaserede metamateriale.

"Vores bidrag har grundlæggende været det faktum, at vi har været i stand til at tilpasse dette totale interne refleksionsfænomen ned til nanoskalaen, som man traditionelt troede var umuligt, " sagde Jacob.

Da materialet er gennemsigtigt, er det velegnet til at transmittere lys, hvilket er et kritisk problem for praktiske enhedsapplikationer. Tilgangen kunne reducere opvarmning i kredsløb, hvilket betyder, at der kræves mindre strøm til at betjene enheder. En sådan innovation kan i det lange løb bringe miniaturiserede databehandlingsenheder.

"En anden fascinerende anvendelse for disse gennemsigtige metamaterialer er at forbedre lys-stof-koblingen til enkelte kvantelysudsendere, " sagde Jacob. "Størrelsen af ​​lysbølger inde i en fiber er for store til effektivt at interagere med små atomer og molekyler. Den gennemsigtige metamaterialebeklædning kan komprimere lysbølgerne til sub-bølgelængdeværdier og dermed tillade lys at interagere effektivt med kvanteobjekter. Dette kan bane vejen for lyskilder på enkeltfotonniveau."