En återuppfunnen, låg kostnad laserkälla som lagrar ljusenergi inuti nanoskala diskar skulle kunna stödja utvecklingen av optiskt drivna neurodatorer, avslöjar en simuleringsstudie ledd av KAUST-forskare.

Fotoniska enheter som använder kontrollerade laserpulser för att manipulera dataswitchar, biomedicinska implantat och solceller är eftertraktade eftersom de är blixtsnabba jämfört med traditionell elektronik; dock, nuvarande prototyper har inte kommersialiserats på grund av svårigheten att göra lasrar tillräckligt små för att passa på datorkretskort, samtidigt som pulsformningsförmågan bibehålls.

"Utmaningen med att reducera en optisk källa ner till nanoskalan är att den börjar avge energi starkt i alla riktningar, " förklarade Andrea Fratalocchi, en docent i elektroteknik. "Detta gör det nästan omöjligt att kontrollera."

Ett samarbete med Yuri Kivshars grupp vid Australian National University avslöjade vägar för att slå optiska diffraktionsgränser med okonventionella anapollasrar. Tillverkad av halvledare formade till nanodiskar med exakt storlek, anapoler svarar på ljusstimulering genom att producera elektromagnetiska vågor som antingen strålar ut eller roterar i munkformade toroidfördelningar.

Vid specifika excitationsfrekvenser, interferens mellan de två fälten producerar ett tillstånd – anapolen – som inte avger energi i någon riktning och fångar ljus inuti nanodisken.

"Du kan tänka på den här lasern som en energitank - när lasern väl är på, den lagrar ljus och släpper den inte förrän du vill hämta den, sa Fratalocchi.

För att frigöra potentialen hos denna nya ljuskälla, KAUST-teamet simulerade olika tekniska arkitekturer med hjälp av kvantbaserade algoritmer.

Dessa beräkningar, tillsammans med förbättrad mikrochipsintegration och tusenfaldiga förbättringar av koppling till optiska routrar, förutsäga att anapol nanolasrar kan generera ultrasnabba ljuspulser som är unikt lämpade för att studera naturliga mönster av signalering och neurala anslutningar.

Fratalocchi noterar att nanolasrarna skulle verka osynliga för en observatör tills de stördes av ett närliggande föremål. Följaktligen, att arrangera de cylindriska ljuskällorna i en slinga skulle kunna användas för att producera en kedjereaktion av ljusemissioner, kan justeras ned till så korta som femtosekundspulstider.

"Det är verkligen som en population av eldflugor, där individerna synkroniserar sina utsläpp till vackra mönster, " förklarade han "När vi placerar nanolasrarna nära varandra, vi kan få liknande kontroll över pulserna."

Teamets modeller tyder på att integrering av olika slingor av anapol nanolasrar kan ge oscillerande, dynamiska mönster användbara för att reproducera hjärnliknande aktiviteter, som maskininlärning och minneshämtning till låg kostnad eftersom plattformen bara behöver billiga kiselwafers för att fungera.