Forskare har länge känt till att syntetiska material - kallade metamaterial - kan manipulera elektromagnetiska vågor som synligt ljus för att få dem att bete sig på sätt som inte kan hittas i naturen. Det har lett till genombrott som bildhantering med superhög upplösning. Nu, UMass Lowell är en del av ett forskargrupp som tar tekniken att manipulera ljus i en ny riktning.

Teamet - som inkluderar medarbetare från UMass Lowell, King's College London, Paris Diderot University och University of Hartford -har skapat en ny klass av metamaterial som kan "justeras" för att ändra ljusets färg. Denna teknik skulle en dag kunna möjliggöra on-chip optisk kommunikation i datorprocessorer, leder till mindre, snabbare, billigare och mer energieffektiva datorchips med bredare bandbredd och bättre datalagring, bland andra förbättringar. On-chip optisk kommunikation kan också skapa effektivare fiberoptiska telekommunikationsnät.

"Dagens datorchips använder elektroner för beräkning. Elektroner är bra eftersom de är små, "sade professor Viktor Podolskiy vid institutionen för fysik och tillämpad fysik, som är projektets huvudutredare vid UMass Lowell. "Dock, elektronernas frekvens är inte tillräckligt snabb. Ljus är en kombination av små partiklar, kallas fotoner, som inte har massa. Som ett resultat, fotoner kan potentiellt öka chipets bearbetningshastighet. "

Genom att omvandla elektriska signaler till ljuspulser, on-chip-kommunikation kommer att ersätta föråldrade koppartrådar som finns på konventionella kiselchips, Podolskiy förklarade. Detta kommer att möjliggöra chip-to-chip optisk kommunikation och, i sista hand, kärna-till-kärna-kommunikation på samma chip.

"Slutresultatet skulle vara att ta bort kommunikationsflaskhalsen, få parallell beräkning att gå så mycket snabbare, " han sa, tillägger att energin hos fotoner bestämmer ljusets färg. "De allra flesta vardagliga föremål, inklusive speglar, linser och optiska fibrer, kan styra eller absorbera dessa fotoner. Dock, vissa material kan kombinera flera fotoner tillsammans, vilket resulterar i en ny foton med högre energi och av annan färg. "

Podolskiy säger att möjliggöra interaktion mellan fotoner är nyckeln till informationsbehandling och optisk beräkning. "Tyvärr, Denna olinjära process är extremt ineffektiv och lämpliga material för att främja fotoninteraktionen är mycket sällsynta. "

Podolskiy och forskargruppen har upptäckt att flera material med dåliga olinjära egenskaper kan kombineras, vilket resulterar i ett nytt metamaterial som uppvisar önskade toppmoderna olinjära egenskaper.

"Förbättringen kommer från hur metamaterialet omformar flödet av fotoner, "sa han." Arbetet öppnar en ny riktning för att kontrollera materialets olinjära svar och kan hitta applikationer i optiska kretsar på chip, drastiskt förbättrar on-chip-kommunikation. "