Un team guidato dai Sandia National Laboratories ha utilizzato per la prima volta l'ottica anziché l'elettronica per trasformare un dispositivo a film sottile di nanometri di spessore da completamente scuro a completamente trasparente, o luce, alla velocità di un trilionesimo di secondo.

Il team guidato dall'investigatore principale Igal Brener ha pubblicato a Fotonica della natura carta questa primavera con i collaboratori della North Carolina State University. Il documento descrive il lavoro sull'elaborazione ottica delle informazioni, come la commutazione o il controllo della polarizzazione della luce utilizzando la luce come raggio di controllo, a velocità terahertz, una tariffa molto più veloce di quella ottenibile oggi con mezzi elettronici, e una dimensione complessiva del dispositivo inferiore rispetto ad altre tecnologie di commutazione completamente ottiche.

Gli elettroni che ruotano all'interno di dispositivi come quelli utilizzati nelle apparecchiature di telecomunicazione hanno un limite di velocità a causa di una velocità di carica lenta e di una scarsa dissipazione del calore, quindi se l'obiettivo è un funzionamento significativamente più veloce, gli elettroni potrebbero dover lasciare il posto ai fotoni.

Per utilizzare i fotoni in modo efficace, la tecnica richiede un dispositivo che va da completamente chiaro a completamente scuro a velocità terahertz. Nel passato, i ricercatori non sono riusciti a ottenere il cambiamento di contrasto necessario da un interruttore ottico alla velocità necessaria in un piccolo dispositivo. I tentativi precedenti erano più come abbassare una luce che spegnerla, o luce necessaria per percorrere una lunga distanza.

La svolta mostra che è possibile eseguire la commutazione completamente ottica ad alto contrasto in un dispositivo molto sottile, in cui l'intensità della luce o la polarizzazione è commutata otticamente, disse Yuanmu Yang, un ex dipendente postdottorato di Sandia Labs che ha lavorato presso il Centro per le nanotecnologie integrate, una struttura utente del Dipartimento dell'Energia gestita congiuntamente dai laboratori nazionali Sandia e Los Alamos. Il lavoro è stato svolto presso CINT.

"Invece di accendere e spegnere una corrente, l'obiettivo sarebbe quello di accendere e spegnere la luce a velocità molto più veloci di quanto è possibile ottenere oggi, " ha detto Yang.

Elaborazione più rapida delle informazioni importanti nelle comunicazioni, ricerca fisica

Una piattaforma di commutazione molto rapida e compatta apre un nuovo modo per studiare i problemi di fisica fondamentali. "Molti processi fisici si verificano effettivamente a una velocità molto elevata, al ritmo di pochi terahertz, " Yang ha detto. "Avere questo strumento ci permette di studiare la dinamica dei processi fisici come la rotazione molecolare e lo spin magnetico. È importante per la ricerca e per far progredire la conoscenza".

Potrebbe anche agire come un rapido interruttore di polarizzazione - la polarizzazione cambia le caratteristiche della luce - che potrebbe essere utilizzata nell'imaging biologico o nella spettroscopia chimica, ha detto Brener. "A volte si eseguono misurazioni che richiedono la modifica della polarizzazione della luce a una velocità molto elevata. Anche il nostro dispositivo può funzionare in questo modo. È un interruttore assoluto che si accende e si spegne o un interruttore di polarizzazione che commuta semplicemente la polarizzazione della luce".

L'elaborazione ultraveloce delle informazioni "è importante nell'informatica, telecomunicazioni, elaborazione del segnale, elaborazione delle immagini e negli esperimenti di chimica e biologia in cui si desidera una commutazione molto veloce, " Brener ha detto. "Ci sono alcune tecniche di imaging basate sul laser che trarranno vantaggio anche dalla rapida commutazione".

La scoperta del team è nata da una ricerca finanziata dalle scienze energetiche di base del dipartimento dell'energia, Divisione di Scienze e Ingegneria dei Materiali, Quello, tra l'altro, permette a Sandia di studiare l'interazione luce-materia e diversi concetti di nanofotonica.

"Questo è un esempio in cui è cresciuto organicamente dalla ricerca fondamentale a qualcosa che ha una performance straordinaria, " ha detto Brener. "Inoltre, siamo stati fortunati ad avere una collaborazione con la North Carolina State University. Avevano il materiale e ci siamo resi conto che potevamo usarlo per questo scopo. Non è stato guidato da un progetto applicato; era il contrario".

La tecnica utilizza i raggi laser per trasportare informazioni, dispositivo di commutazione

La tecnica utilizza due raggi laser, uno che trasporta le informazioni e il secondo che accende e spegne il dispositivo.

Il raggio di commutazione utilizza i fotoni per riscaldare gli elettroni all'interno dei semiconduttori a temperature di poche migliaia di gradi Fahrenheit, che non fa surriscaldare il campione ma cambia drasticamente le proprietà ottiche del materiale. Il materiale si rilassa anche a velocità terahertz, in poche centinaia di femtosecondi o in meno di un trilionesimo di secondo. "Quindi possiamo accendere e spegnere questo materiale a una velocità di qualche trilione di volte al secondo, " ha detto Yang.

I ricercatori di Sandia accendono e spengono l'interruttore ottico creando qualcosa chiamato cavità plasmonica, che confina la luce entro poche decine di nanometri, e aumenta significativamente l'interazione luce-materia. Utilizzando uno speciale materiale plasmonico, ossido di cadmio drogato dallo stato della Carolina del Nord, hanno costruito una cavità plasmonica di alta qualità. Il riscaldamento degli elettroni nell'ossido di cadmio drogato modifica drasticamente le proprietà opto-elettriche della cavità plasmonica, modulando l'intensità della luce riflessa.

I materiali plasmonici tradizionali come l'oro o l'argento sono appena sensibili al raggio di controllo ottico. Far brillare un raggio su di loro non cambia le loro proprietà da chiare a scure o viceversa. Il raggio di controllo ottico, però, altera molto rapidamente la cavità dell'ossido di cadmio drogato, controllando le sue proprietà ottiche come un interruttore on-off.

Il prossimo passo è capire come utilizzare gli impulsi elettrici anziché gli impulsi ottici per attivare l'interruttore, poiché un approccio completamente ottico richiede ancora grandi apparecchiature, ha detto Brener. Egli stima che il lavoro potrebbe richiedere dai tre ai cinque anni.

"Per scopi pratici, devi miniaturizzare e farlo elettricamente, " Egli ha detto.

Gli autori del documento sono Yang, Brener, Salvatore Campione, Willie Luk e Mike Sinclair ai Sandia Labs e Jon-Paul Maria, Kyle Kelley ed Edward Sachet nello stato della Carolina del Nord.