Udnyttelse af lysdrevne nanoskala elektriske strømme til at drive nye teknologier frem

Traditionelle mikroelektroniske arkitekturer med transistorer til at styre elektriske strømme langs ledninger driver alt fra avancerede computere til dagligdags enheder.

Men med de integrerede kredsløb, der tilbyder aftagende afkast med hensyn til hastighed og tilpasningsevne, udvikler Los Alamos National Laboratory-forskere lysbaserede systemer i nanometerskala, der kan levere gennembrud for ultrahurtig mikroelektronik, infrarød detektering ved stuetemperatur (f.eks. nattesyn) og en bred vifte af teknologiske applikationer.

"De fleste moderne teknologier, fra computere til applikationer som energihøst, er bygget på evnen til at skubbe elektroner rundt," sagde Jacob Pettine, Los Alamos-fysiker ved Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). "Men måden, vi kontrollerer denne ladningsstrøm på, er fortsat meget begrænset af konventionelle materialer og strukturer."

Nanoantenner fanger og fokuserer lys

Som beskrevet i en artikel netop offentliggjort i Nature , forskerholdet designet og fremstillet asymmetriske guldstrukturer i nanostørrelse på et atomisk tyndt lag grafen. Guldstrukturerne kaldes "nanoantenner" baseret på den måde, de fanger og fokuserer lysbølger på, og danner optiske "hot spots", der exciterer elektronerne i grafenen. Kun grafenelektronerne meget tæt på de varme punkter er exciterede, mens resten af ​​grafenen forbliver meget mindre ophidset.

Forskerholdet vedtog en dråbeform af guldnanoantenner, hvor brud på inversionssymmetri definerer en retningsbestemthed langs strukturen. De varme punkter er kun placeret ved de skarpe spidser af nanoantennerne, hvilket fører til en bane, hvorpå de exciterede varme elektroner flyder med nettoretningsbestemmelse - en ladestrøm, der kan kontrolleres og indstilles på nanometerskalaen ved at spændende forskellige kombinationer af varme punkter.

"Disse metaoverflader giver en nem måde at kontrollere amplituden, placeringen og retningen af ​​hot spots og ladestrøm i nanoskala med en responshastighed hurtigere end et picosekund," sagde Hou-Tong Chen, en videnskabsmand ved CINT, der overvåger forskningen. "Du kan så tænke på mere detaljerede funktioner."

Lovende applikationer til kontrollerbar, indstillelig ladestrøm

Den konceptuelle demonstration i disse optoelektroniske metasurfaces har en række lovende anvendelser. Den genererede ladningsstrøm kan naturligt bruges som signalet til fotodetektion, især vigtigt ved langbølgelængde infrarødt område. Systemet kan tjene som en kilde til terahertz-stråling, nyttig i en række anvendelser fra ultra-højhastigheds trådløs kommunikation til spektroskopisk karakterisering af materialer. Systemet kunne også tilbyde nye muligheder for at kontrollere nanomagnetisme, hvor de specialiserede strømme kan designes til tilpasningsdygtige, nanoskala magnetiske felter.

Den nye kapacitet kan også vise sig at være vigtig for ultrahurtig informationsbehandling, herunder beregning og mikroelektronik. Evnen til at bruge laserimpulser og metaoverflader til adaptive kredsløb kunne give mulighed for afsendelse af langsommere og mindre alsidige transistorbaserede computer- og elektronikarkitekturer. I modsætning til konventionelle kredsløb kunne adaptive strukturerede lysfelter tilbyde helt nye designmuligheder.

"Disse resultater danner grundlaget for alsidig mønstre og optisk kontrol over nanoskalastrømme," sagde Pettine. "Sammen med de værdifulde applikationer i laboratoriet kan vektorielle metasurfaces muliggøre fremskridt i mange forskellige teknologiske områder."

Flere oplysninger: Jacob Pettine et al., Lysdrevne vektorstrømme i nanoskala, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07037-4

Leveret af Los Alamos National Laboratory