I ricercatori hanno sviluppato un dispositivo a emissione di luce ultraveloce che può accendersi e spegnersi 90 miliardi di volte al secondo e potrebbe costituire la base del calcolo ottico.

Al suo livello più elementare, la batteria del tuo smartphone alimenta miliardi di transistor utilizzando gli elettroni per accendersi e spegnersi miliardi di volte al secondo. Ma se i microchip potessero usare i fotoni invece degli elettroni per elaborare e trasmettere dati, i computer potrebbero funzionare ancora più velocemente.

Ma prima gli ingegneri devono costruire una fonte di luce che possa essere accesa e spenta così rapidamente. Sebbene i laser possano soddisfare questo requisito, sono troppo affamati di energia e ingombranti per integrarsi nei chip dei computer.

I ricercatori della Duke University sono ora un passo più vicini a una tale fonte di luce. In un nuovo studio, un team della Pratt School of Engineering ha spinto i punti quantici dei semiconduttori per emettere luce a più di 90 gigahertz. Questo cosiddetto dispositivo plasmonico potrebbe un giorno essere utilizzato nei chip di calcolo ottico o per la comunicazione ottica tra i tradizionali microchip elettronici.

Lo studio è stato pubblicato online il 27 luglio in Comunicazioni sulla natura .

"Questo è qualcosa che la comunità scientifica voleva fare da molto tempo, " disse Maiken Mikkelsen, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica e fisica alla Duke. "Ora possiamo iniziare a pensare di realizzare dispositivi a commutazione rapida basati su questa ricerca, quindi c'è molto entusiasmo per questa dimostrazione".

Il nuovo record di velocità è stato stabilito utilizzando la plasmonica. Quando un laser brilla sulla superficie di un cubo d'argento largo appena 75 nanometri, gli elettroni liberi sulla sua superficie iniziano ad oscillare insieme in un'onda. Queste oscillazioni creano la propria luce, che reagisce nuovamente con gli elettroni liberi. L'energia intrappolata in questo modo sulla superficie del nanocubo è chiamata plasmone.

Il plasmone crea un intenso campo elettromagnetico tra il nanocubo d'argento e un sottile foglio d'oro posto a soli 20 atomi di distanza. Questo campo interagisce con i punti quantici, sfere di materiale semiconduttore larghe appena sei nanometri, che sono inseriti tra il nanocubo e l'oro. I punti quantici, a sua volta, produrre un direzionale, emissione efficiente di fotoni che possono essere attivati ​​e disattivati ​​a più di 90 gigahertz.

"C'è un grande interesse per la sostituzione dei laser con i LED per la comunicazione ottica a breve distanza, ma queste idee sono sempre state limitate dal lento tasso di emissione dei materiali fluorescenti, mancanza di efficienza e incapacità di dirigere i fotoni, " disse Gleb Akselrod, una ricerca post-dottorato nel laboratorio di Mikkelsen. "Ora abbiamo fatto un passo importante verso la risoluzione di questi problemi".

"L'obiettivo finale è integrare la nostra tecnologia in un dispositivo che può essere eccitato sia otticamente che elettricamente, " ha detto Thang Hoang, anche un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Mikkelsen. "Questo è qualcosa che penso tutti, comprese le agenzie di finanziamento, sta spingendo piuttosto forte per."

Il gruppo sta ora lavorando per utilizzare la struttura plasmonica per creare una singola sorgente di fotoni, una necessità per comunicazioni quantistiche estremamente sicure, inserendo un singolo punto quantico nello spazio tra il nanocubo d'argento e la lamina d'oro. Stanno anche cercando di posizionare e orientare con precisione i punti quantici per creare i tassi di fluorescenza più veloci possibili.

A parte i suoi potenziali impatti tecnologici, la ricerca dimostra che i materiali ben noti non devono essere limitati dalle loro proprietà intrinseche.

"Adeguando l'ambiente intorno a un materiale, come abbiamo fatto qui con i semiconduttori, possiamo creare nuovi materiali di design con quasi tutte le proprietà ottiche che desideriamo, " ha detto Mikkelsen. "E questa è un'area emergente a cui è affascinante pensare".