Nano-antenner til dataoverførsel

Fysikere fra universitetet i Würzburg har konverteret elektriske signaler til fotoner og udstrålet dem i bestemte retninger ved hjælp af en optisk antenne med lavt fodaftryk, der kun er 800 nanometer stor.

Retningsbestemte antenner konverterer elektriske signaler til radiobølger og udsender dem i en bestemt retning, tillader øget ydeevne og reduceret interferens. Dette princip, som er nyttig i radiobølgeteknologi, kunne også være interessant for miniaturiserede lyskilder. Trods alt, næsten al internetbaseret kommunikation anvender optisk lyskommunikation. Retningsbestemte antenner til lys kunne bruges til at udveksle data mellem forskellige processorkerner med lidt tab og med lysets hastighed. For at gøre det muligt for antenner at fungere med de meget korte bølgelængder af synligt lys, sådanne retningsbestemte antenner skal krympes til nanometerskala.

Würzburg-fysikere har nu lagt grundlaget for denne teknologi i en banebrydende publikation:I magasinet " Naturkommunikation ", de beskriver for første gang, hvordan man genererer rettet infrarødt lys ved hjælp af en elektrisk drevet Yagi-Uda-antenne lavet af guld. Antennen er udviklet af professor Bert Hechts nanooptiske arbejdsgruppe. som har stolen for eksperimentel fysik 5 ved universitetet i Würzburg. Navnet "Yagi-Uda" er afledt af de to japanske forskere, Hidetsugu Yagi og Shintaro Uda, der opfandt antennen i 1920'erne.

Anvendelse af lovene for optisk antenneteknologi

Hvordan ser en Yagi-Uda-antenne til lys ud? "I bund og grund, den fungerer på samme måde som dens storebrødre til radiobølger, " forklarer Dr. René Kullock, medlem af nanooptik-teamet. Der påføres en vekselspænding, der får elektroner i metallet til at vibrere, og antennerne udsender elektromagnetiske bølger som følge heraf. "I tilfælde af en Yagi-Uda-antenne, imidlertid, dette sker ikke jævnt i alle retninger, men gennem den selektive overlejring af de udstrålede bølger ved hjælp af specielle elementer, de såkaldte reflektorer og direktører, " siger Kullock. "Dette resulterer i konstruktiv interferens i én retning og destruktiv interferens i alle andre retninger." en sådan antenne ville kun kunne modtage lys, der kommer fra samme retning, når den betjenes som en modtager.

Det er teknisk udfordrende at anvende antenneteknologiens love på antenner i nanometerskala, der udsender lys. For noget tid siden, Würzburg-fysikerne var allerede i stand til at demonstrere, at princippet om en elektrisk drevet lysantenne virker. Men for at lave en relativt kompleks Yagi-Uda-antenne, de skulle komme med nogle nye ideer. Til sidst, det lykkedes takket være en sofistikeret produktionsteknik:"Vi bombarderede guld med galliumioner, hvilket gjorde det muligt for os at skære antenneformen ud med alle reflektorer og direktører samt de nødvendige forbindelsesledninger fra højrente guldkrystaller med stor præcision, " forklarer Bert Hecht.

I et næste trin, fysikerne placerede en guld-nanopartikel i det aktive element, så det rører ved den ene ledning af det aktive element, mens den kun holder en afstand på en nanometer til den anden ledning. "Dette mellemrum er så snævert, at elektroner kan krydse det, når spænding påføres ved hjælp af en proces kendt som kvantetunneling, " forklarer Kullock. Denne ladningsbevægelse genererer vibrationer med optiske frekvenser i antennen, som udsendes i en bestemt retning takket være det specielle arrangement af reflektorer og direktører.

Nøjagtighed afhænger af antallet af direktører

Würzburg-forskerne er fascineret af den usædvanlige egenskab ved deres nye antenne, der udstråler lys i en bestemt retning, selvom den er meget lille. Som i deres "større modstykker, "radiobølgeantennerne, retningsnøjagtigheden af ​​lysudsendelsen af ​​den nye optiske antenne bestemmes af antallet af antenneelementer. "Dette har givet os mulighed for at bygge verdens mindste elektrisk drevne lyskilde til dato, som er i stand til at udsende lys i en bestemt retning, "Hecht detaljer.

Imidlertid, Der mangler stadig meget arbejde, før den nye opfindelse er klar til at blive brugt i praksis. For det første, fysikerne skal arbejde på modstykket, der modtager lyssignaler. For det andet de skal øge effektiviteten og stabiliteten.