En ildflueblitz inspirerer nyt nanolaserlys

En genopfundet, billig laserkilde, der gemmer lysenergi inde i nanoskalaer, kan understøtte udviklingen af ​​optisk drevne neurocomputere, afslører en simuleringsundersøgelse ledet af KAUST-forskere.

Fotoniske enheder, der bruger kontrollerede laserimpulser til at manipulere datakontakter, biomedicinske implantater og solceller er eftertragtede, fordi de er lynhurtige sammenlignet med traditionel elektronik; imidlertid, nuværende prototyper er ikke blevet kommercialiseret på grund af vanskeligheden ved at gøre lasere små nok til at passe på computerkredsløbskort, samtidig med at de bevarer pulsformende egenskaber.

"Udfordringen med at reducere en optisk kilde ned til nanoskalaen er, at den begynder at udsende energi kraftigt i alle retninger, "forklarede Andrea Fratalocchi, en lektor i elektroteknik. "Dette gør det næsten umuligt at kontrollere."

Et partnerskab med Yuri Kivshars gruppe ved Australian National University afslørede veje til at slå optiske diffraktionsgrænser med ukonventionelle anapollasere. Fremstillet af halvledere formet til præcis størrelse nanodiske, anapoler reagerer på lysstimulering ved at producere elektromagnetiske bølger, der enten udstråler eller roterer i donutformede toroidfordelinger.

Ved specifikke excitationsfrekvenser, interferens mellem de to felter producerer en tilstand - anapolen - som ikke udsender energi i nogen retning og fanger lys inde i nanodisken.

"Du kan tænke på denne laser som en energitank - når først laseren er tændt, det gemmer lys og slipper det ikke, før du vil samle det, sagde Fratalocchi.

For at frigøre potentialet i denne nye lyskilde, KAUST-teamet simulerede forskellige ingeniørarkitekturer ved hjælp af kvantebaserede algoritmer.

Disse beregninger, sammen med forbedret mikrochipintegration og tusindfoldige forbedringer i kobling til optiske routere, forudsige, at anapol nanolasere kan generere ultrahurtige lysimpulser, der er unikt egnede til at studere naturlige mønstre af signalering og neurale forbindelser.

Fratalocchi bemærker, at nanolaserne ville virke usynlige for en observatør, indtil de blev forstyrret af et nærliggende objekt. Følgelig, at arrangere de cylindriske lyskilder i en sløjfe kunne bruges til at producere en kædereaktion af lysemissioner, kan indstilles til helt ned til femtosekund pulstider.

"Det er virkelig som en bestand af ildfluer, hvor individerne synkroniserer deres emissioner til smukke mønstre, " forklarede han "Når vi placerer nanolaserne tæt sammen, vi kan få lignende kontrol over pulserne."

Holdets modeller tyder på, at integration af forskellige loops af anapol nanolasere kan frembringe oscillerende, dynamiske mønstre, der er nyttige til at gengive hjernelignende aktiviteter, såsom maskinlæring og hukommelseshentning til lave omkostninger, fordi platformen kun behøver billige siliciumwafers for at fungere.