Elektronik kopplas alltmer ihop med optiska system, till exempel när du använder internet på en elektroniskt driven dator via fiberoptiska kablar.

Men mesh-optik – som förlitar sig på ljuspartiklar som kallas fotoner – med elektronik – som förlitar sig på elektroner – är utmanande, på grund av deras olika skalor. Elektroner fungerar i mycket mindre skala än vad ljus gör. Missmatchningen mellan elektroniska system och optiska system innebär att varje gång en signal omvandlas från det ena till det andra, ineffektivitet smyger sig in i systemet.

Nu, ett team ledd av en forskare från Purdue University har hittat ett sätt att skapa effektivare metamaterial med hjälp av halvledare och en ny aspekt av fysiken som förstärker elektronernas aktivitet. Studien publiceras i tidskriften Optica .

Denna nya klass av material har potential att dramatiskt öka upplösningen i medicinsk skanning och vetenskaplig bildbehandling och drastiskt minska storleken på superdatorer, skapa en framtid där forskare kan se små saker i mycket större detalj och enheter är mindre och kraftfullare.

Forskare har arbetat i årtionden för att krympa fotoner ner till en nanometerskala för att göra dem mer kompatibla med elektroner - ett fält som kallas nanofonik. Detta kan uppnås med förädlade material och dyra produktionstekniker för att göra så kallade hyperboliska material. Med hjälp av hyperboliska material, forskare kan krympa fotoner genom att komprimera ljuset, gör det lättare att samverka med elsystem.

Evgenii Narimanov, en teoretisk fysiker och professor i el- och datateknik vid Purdue, förklarade, "Det viktigaste med hyperboliska material är att de kan komprimera ljus till nästan vilken skala som helst. När du kan göra ljuset litet, du löser problemet med frånkopplingen mellan optik och elektronik. Då kan du göra mycket effektiv optoelektronik. "

Problemet ligger i att skapa dessa hyperboliska material. De består vanligtvis av sammanvävda lager av metaller och dielektrikum, och varje yta måste vara så slät och defektfri som möjligt på atomnivå, något som är svårt, tidskrävande och dyrt.

Lösningen, Narimanov tror, inkluderar halvledare. Inte, betonade han, på grund av något speciellt med halvledarna själva. Men eftersom forskare och forskare har ägnat de senaste 70 åren eller mer åt att effektivt producera högkvalitativa halvledare. Narimanov undrade om han kunde utnyttja den färdigheten och tillämpa den på att producera nya och förbättrade metamaterial.

Tyvärr, halvledare utgör inte i sig bra optiska metamaterial; de har inte tillräckligt med elektroner. De kan arbeta vid relativt låga frekvenser, i mellan- till långt infraröd skala. Men för att förbättra bildbehandlings- och avkänningstekniker, forskare behöver metamaterial som fungerar i det synliga på nära-infrarött spektrum, vid mycket kortare våglängder än mitt- och fjärrinfraröda våglängder.

Narimanov och hans medarbetare upptäckte och testade ett optiskt fenomen som kallades 'ballistisk resonans'. I dessa nya optiska material, som kombinerar metamaterialkoncept med atomprecisionen hos enkristallhalvledare, fria (ballistiska) elektroner interagerar med ett oscillerande optiskt fält.

Synkronisera det optiska fältet med frekvensen av de fria elektronernas rörelse när de studsar inom gränserna för de tunna ledande lagren, bilda kompositmaterialet, får elektronerna att resonera, förbättra reaktionen för varje elektron och skapa ett metamaterial som fungerar vid högre frekvenser. Medan forskarna ännu inte kunde nå våglängderna för det synliga spektrumet, de fick 60% av vägen dit.

"Vi visade att det finns en fysikmekanism som gör detta möjligt, "Sa Narimanov." Innan, folk insåg inte att detta var något som kunde göras. Vi har öppnat vägen. Vi visade att det är teoretiskt möjligt, och sedan demonstrerade vi experimentellt 60 % förbättring av driftfrekvensen jämfört med befintliga material."

Narimanov skapade idén och slog sig sedan ihop med Kun Li, Andrew Briggs, Seth Bank och Daniel Wasserman vid University of Texas, samt Evan Simmons och Viktor Podolskiy vid University of Massachusetts Lowell. Forskarna vid University of Texas utvecklade tillverkningstekniken, medan forskarna från Massachusetts Lowell bidrog till den fullständiga kvantteorin och utförde de numeriska simuleringarna för att vara säker på att allt fungerade som planerat.

"Vi kommer att fortsätta tänja på den här gränsen, "Narimanov sa." Även om vi är extremt framgångsrika, ingen kommer att få halvledarmetamaterial till det synliga och nära infraröda spektrumet inom ett eller två år. Det kan ta ungefär fem år. Men det vi har gjort är att tillhandahålla materialplattformen. Flaskhalsen för fotonik ligger i materialet där elektroner och fotoner kan mötas på samma längdskala, och vi har löst det."