Modern telekommunikation sker på grund av snabba elektroner och snabba fotoner. Kan det bli bättre? Kan Moores lag - fördubblingen av datorkraft någonsin 18 månader eller så - bestå? Kan elektronikens kompakthet (nm-skala komponenter) kombineras med fotonikens hastighet?

Väl, en sådan hybridmetod utforskas vid Joint Quantum Institute, där forskare sammanför tre underbara fysikforskningsområden:mikrofluidik, kvantprickar, och plasmonik för att undersöka och studera optiska nanostrukturer med en rumslig noggrannhet så bra som 12 nm.

PLASMONIK

När ljuset träffar en metallremsa kan en elektronvåg exciteras i ytan. Är detta "ytplasmon" lite ljus eller elektricitet. Väl, det är lite av båda. Våglängden för denna elektromagnetiska våg är kortare och energitätheten högre än för det inkommande laserljuset; plasmonen är således tätt lokaliserat ljus begränsat att sprida sig längs måltidsytan. Vetenskapen om "plasmonik" har uppstått för att utnyttja olika avbildningar, avkänning, och bearbetningsförmåga inneboende i plasmoner. Till att börja med, fastän, man måste veta exakt vad som händer på den laser-exciterade metalliska ytan. Det ljuset omvandlas till den plasmoniska vågen; senare kan energin återföras till ljus.

Här kommer JQI -experimentet in. Huvudresultatet av arbetet, publicerad 5 februari i tidningen Naturkommunikation , är att tillhandahålla en karta som visar hur metallremsan, i detta fall en silvertråd 4 mikron lång och 100 nm bred, lyser upp.

MIKROFLUIDIK OCH KVANTUMPUNKTER

De andra två huvudkomponenterna i experimentet, förutom plasmonik, är mikrofluidik och kvantprickar. Mikrofluidik, en relativt ny vetenskap i sig, har rörelse av nanoliter volymer av vätskor genom kanaler definierade på mikrochips, analogt med de ledande banorna som sträcks över mikroprocessorer för att bära elektriska strömmar. Kvantprickar, halvledarkulor i nanometerstorlek, är skräddarsydda för att ha en specifik uppsättning tillåtna energitillstånd; i själva verket är prickarna artificiella atomer som kan flyttas runt. I JQI-experimentet flyter de 10 nm breda punkterna (det viktiga kadmium-selenidlagret är bara 3 nm tjockt) i en vätska vars flöde kan styras genom att variera en applicerad spänning. Prickarna dras upp nära nanotråden som om de vore gruvor bredvid en ubåt.

Faktum är att pricken är där just för att excitera tråden. Pricken är fluorescensmaskin —- i lös mening en nanoskopisk glödlampa. Slår det med grönt laserljus, det avger snabbt rött ljus igen (en foton i taget), och det är denna strålning som väcker vågor i den närliggande tråden, som fungerar som en antenn. Men samspelet är en tvåväg; prickens utsläpp varierar beroende på var längs trådens längd; änden av tråden (som vilken spetsig blixtstång som helst på en ladugård) är där elektriska fält är högst och detta lockar mest utsläpp från pricken.

En CCD -kamera fångar upp ljus från prickarna och tråden. Kamerans egenskaper, prickens optiska egenskaper, noggrann positionering av pricken, och nanotrådens form och renhet kombineras för att ge en bild av nanotrådens elektriska fältintensitet med 12 nm noggrannhet. Intensitetskartan visar att det inmatade röda ljuset från kvantpunkten (våglängd på 620 nm) effektivt har transformerats till en plasmonisk våglängd på 320 nm.

Chad Ropp är en doktorand som arbetar med projektet och huvudförfattaren på pappret. "Plasmoniska kartor har lösts tidigare, men de kvantmekaniska interaktionerna med en enda sändare har inte, och inte med denna grad av noggrannhet, sa Ropp.

MÖJLIGA ANVÄNDNINGAR

I en verklig enhet, kvantpunkten kan ersättas av en biopartikel som kan identifieras genom nanotrådens observerade effekt på partikelns utsläpp. Eller dot-wire duo kan kombineras i olika konfigurationer som plasmoniska ekvivalenter av elektroniska kretskomponenter. Andra användningsområden för denna typ av nanotrådsinställningar kan utnyttja den höga energitätheten i plasmoniskt tillstånd för att stödja olinjära effekter. Detta kan göra det möjligt för nanotråd-prick-kombinationen att fungera som en optisk transistor.