Nye halvlette halvstofpartikler kan holde nøglen til en computerrevolution

Forskere har opdaget nye partikler, der kan ligge i hjertet af en fremtidig teknologisk revolution baseret på fotoniske kredsløb, fører til superhurtig, lys-baseret databehandling.

Nuværende computerteknologi er baseret på elektronik, hvor elektroner bruges til at kode og transportere information.

På grund af nogle grundlæggende begrænsninger, såsom energitab gennem resistiv opvarmning, det forventes, at elektroner i sidste ende skal udskiftes med fotoner, fører til futuristiske lysbaserede computere, der er meget hurtigere og mere effektive end nuværende elektroniske.

Fysikere ved University of Exeter har taget et vigtigt skridt i retning af dette mål, da de har opdaget nye halv-lette halvstofpartikler, der arver nogle af de bemærkelsesværdige træk ved grafen.

Denne opdagelse åbner døren for udviklingen af ​​fotoniske kredsløb ved hjælp af disse alternative partikler, kendt som masseløse Dirac-polaritoner, at transportere information frem for elektroner.

Dirac polaritoner dukker op i bikage metasoverflader, som er ultratynde materialer, der er konstrueret til at have struktur på nanoskalaen, meget mindre end lysets bølgelængde.

Et unikt træk ved Dirac-partikler er, at de efterligner relativistiske partikler uden masse, giver dem mulighed for at rejse meget effektivt. Denne kendsgerning gør grafen til et af de mest ledende materialer, man kender.

Imidlertid, trods deres ekstraordinære egenskaber, det er meget svært at kontrollere dem. For eksempel, i grafen er det umuligt at tænde/slukke elektriske strømme ved hjælp af simpelt elektrisk potentiale, dermed hindrer den potentielle implementering af grafen i elektroniske enheder.

Denne grundlæggende ulempe - manglen på tunability - er blevet overvundet på en unik måde af fysikerne ved University of Exeter.

Charlie-Ray Mann, hovedforfatteren af ​​papiret udgivet i Naturkommunikation , forklarer:"For grafen, man skal normalt modificere honeycomb-gitteret for at ændre dets egenskaber, for eksempel ved at belaste honeycomb-gitteret, hvilket er ekstremt udfordrende at gøre kontrollerbart."

"Den vigtigste forskel her er, at Dirac-polaritonerne er hybridpartikler, en blanding af lys- og stofkomponenter. Det er denne hybride natur, der giver os en unik måde at tune deres grundlæggende egenskaber på, ved kun at manipulere deres lys-komponent, noget, der er umuligt at gøre i grafen."

Forskerne viser, at ved at indlejre bikagemetas overflade mellem to spejlende spejle og ændre afstanden mellem dem, man kan indstille Dirac-polaritonernes grundlæggende egenskaber på en enkel, kontrollerbar og reversibel måde.

"Vores arbejde har afgørende konsekvenser for forskningsfelterne fotonik og Dirac-partikler, " tilføjer Dr. Eros Mariani, hovedforsker på undersøgelsen.

"Vi har vist evnen til at bremse eller endda stoppe Dirac -partiklerne, og ændre deres interne struktur, deres chiralitet, i tekniske termer, hvilket er umuligt at gøre i selve grafen"

"Resultaterne af vores arbejde vil udgøre et vigtigt skridt i den fotoniske kredsløbsrevolution."

Undersøgelsen "Manipulating type-I and type-II Dirac polaritons in cavity-embedded honeycomb metasurfaces" (DOI:10.1038/s41467-018-03982-7) blev offentliggjort i Naturkommunikation .