Skiftende lys med et sølvatom

Forskere, der arbejder under Juerg Leuthold, professor i fotonik og kommunikation, har skabt verdens mindste integrerede optiske switch. Påføring af en lille spænding får et atom til at flytte sig, tænde eller slukke for kontakten.

Mængden af ​​data, der udveksles via kommunikationsnetværk over hele kloden, vokser med en betagende hastighed. Datamængden til kablet og mobil kommunikation stiger i øjeblikket med henholdsvis 23 % og 57 % hvert år. Det er umuligt at forudsige, hvornår denne vækst vil ende. Det betyder også, at alle netværkskomponenter hele tiden skal effektiviseres.

Disse komponenter omfatter såkaldte modulatorer, som konverterer den information, der oprindeligt er tilgængelig i elektrisk form, til optiske signaler. Modulatorer er derfor intet andet end hurtige elektriske kontakter, der tænder eller slukker et lasersignal med frekvensen af ​​de indkommende elektriske signaler. Modulatorer er installeret i tusindvis af datacentre. Imidlertid, de har alle den ulempe, at de er ret store. Måler et par centimeter på tværs, de fylder meget, når de bruges i stort antal.

Fra mikromodulatorer til nanomodulatorer

For seks måneder siden, en arbejdsgruppe ledet af Jürg Leuthold, Professor i fotonik og kommunikation er allerede lykkedes med at bevise, at teknologien kunne gøres mindre og mere energieffektiv. Som en del af det arbejde, forskerne præsenterede en mikromodulator, der kun målte 10 mikrometer på tværs - eller 10, 000 gange mindre end modulatorer i kommerciel brug.

Leuthold og hans kolleger har nu taget dette til næste niveau ved at udvikle verdens mindste optiske modulator. Og dette er sandsynligvis så lille, som det kan blive:komponenten fungerer på niveau med individuelle atomer. Fodaftrykket er derfor reduceret yderligere med en faktor 1, 000,- hvis du medtager kontakten sammen med lyslederne. Imidlertid, selve kontakten er endnu mindre, med en størrelse målt på atomskalaen. Holdets seneste udvikling blev for nylig præsenteret i journalen Nano bogstaver .

Faktisk, modulatoren er væsentligt mindre end bølgelængden af ​​lys, der bruges i systemet. Inden for telekommunikation, optiske signaler transmitteres ved hjælp af laserlys med en bølgelængde på 1,55 mikrometer. Normalt, en optisk enhed kan ikke være mindre end den bølgelængde, den skal behandle. "Indtil for nylig, selv jeg troede, det var umuligt for os at underskride denne grænse, " understreger Leuthold.

Ny struktur

Men hans seniorforsker Alexandros Emboras beviste, at optikkens love var forkerte ved at omkonfigurere konstruktionen af ​​en modulator. Denne konstruktion gjorde det muligt at trænge ind i størrelsesordenen af ​​individuelle atomer, selvom forskerne brugte lys med en "standardbølgelængde".

Emboras' modulator består af to bittesmå puder, den ene lavet af sølv og den anden af ​​platin, oven på en optisk bølgeleder lavet af silicium. De to puder er anbragt ved siden af ​​hinanden i en afstand af blot nogle få nanometer, med en lille bule på sølvpuden, der rager ind i mellemrummet og næsten rører ved platinpuden.

Kortslutning takket være et sølvatom

Og her er, hvordan modulatoren fungerer:lys, der kommer ind fra en optisk fiber, ledes til indgangen til mellemrummet af den optiske bølgeleder. Over den metalliske overflade, lyset bliver til en overfladeplasmon. En plasmon opstår, når lys overfører energi til elektroner i det yderste atomlag af metaloverfladen, får elektronerne til at oscillere med frekvensen af ​​det indfaldende lys. Disse elektronoscillationer har en langt mindre diameter end selve lysstrålen. Dette giver dem mulighed for at komme ind i hullet og passere gennem flaskehalsen. På den anden side af hullet, elektronoscillationerne kan konverteres tilbage til optiske signaler.

Hvis en spænding nu påføres sølvpuden, et enkelt sølvatom eller, højst, nogle få sølvatomer bevæger sig mod spidsen af ​​punktet og placerer sig for enden af ​​det. Dette skaber en kortslutning mellem sølv- og platinpuderne, så der løber elektrisk strøm mellem dem. Dette lukker smuthullet for plasmonet; kontakten vender, og tilstanden skifter fra "on" til "off" eller omvendt. Så snart spændingen igen falder under en vis tærskel, et sølvatom bevæger sig tilbage. Kløften åbner sig, plasmon flyder, og kontakten er "tændt" igen. Denne proces kan gentages millioner af gange.

ETH professor Mathieu Luisier, der har deltaget i denne undersøgelse, simulerede systemet ved hjælp af en højtydende computer på CSCS i Lugano. Dette gjorde det muligt for ham at bekræfte, at kortslutningen ved spidsen af ​​sølvpunktet er forårsaget af et enkelt atom.

Et virkelig digitalt signal

Da plasmonen ikke har andre muligheder end at passere gennem flaskehalsen enten helt eller slet ikke, dette producerer et virkelig digitalt signal - et et eller et nul. "Dette giver os mulighed for at skabe en digital switch, som med en transistor. Vi har ledt efter en løsning som denne i lang tid, " opsummerer Leuthold.

Endnu, modulatoren er ikke klar til serieproduktion. Selvom det har fordelen ved at fungere ved stuetemperatur, i modsætning til andre enheder, der arbejder med kvanteeffekter i denne størrelsesorden, det er stadig meget langsomt for en modulator:indtil videre, det virker kun til at skifte frekvenser i megahertz-området eller derunder. ETH-forskerne ønsker at finjustere den til frekvenser i området gigahertz til terahertz.

Forbedring af litografiprocessen

Forskerne ønsker også at forbedre litografimetoden yderligere, som blev omudviklet af Emboras fra bunden for at bygge delene, så komponenter som denne kan produceres pålideligt i fremtiden. På nuværende tidspunkt fremstilling er kun vellykket i et ud af hvert sjette forsøg. Alligevel, forskerne betragter dette som en succes, da litografiprocesser på atomær skala forbliver ukendt territorium.

For at fortsætte sin forskning i nanomodulatoren, Leuthold har styrket sit hold. Imidlertid, han påpeger, at der vil være behov for større ressourcer for at udvikle en kommercielt tilgængelig løsning. På trods af dette, ETH-professoren er overbevist om, at han og hans team vil være i stand til at præsentere en praktisk løsning inden for de næste par år.