(Phys.org) — En ultrasnabb och ultraliten optisk switch har uppfunnits som kan föra fram den dag då fotoner ersätter elektroner i insidan av konsumentprodukter, allt från mobiltelefoner till bilar.

Den nya optiska enheten kan slå på och stängas av biljoner gånger per sekund. Den består av individuella brytare som bara är en femhundradels bredd av ett människohår (200 nanometer) i diameter. Denna storlek är mycket mindre än den nuvarande generationen av optiska switchar och den bryter lätt en av de stora tekniska barriärerna för spridningen av elektroniska enheter som upptäcker och kontrollerar ljus:miniatyrisera storleken på ultrasnabba optiska switchar.

Den nya enheten utvecklades av ett team av forskare från Vanderbilt University, University of Alabama-Birmingham, och Los Alamos National Laboratory och beskrivs i numret av tidskriften den 12 mars Nanobokstäver .

Den ultrasnabba strömbrytaren är gjord av ett konstgjort material konstruerat för att ha egenskaper som inte finns i naturen. I detta fall, "metamaterialet" består av nanoskaliga partiklar av vanadindioxid (VO ₂ ) – ett kristallint fast ämne som snabbt kan växla fram och tillbaka mellan en ogenomskinlig, metallisk fas och en transparent, halvledande fas - som deponeras på ett glasunderlag och beläggs med en "nanomesh" av små guldnanopartiklar.

Forskarna rapporterar att badning av dessa förgyllda nanopartiklar med korta pulser från en ultrasnabb laser genererar heta elektroner i guldnanomesh som hoppar in i vanadindioxiden och får den att genomgå sin fasförändring på några biljondelar av en sekund.

"Vi hade tidigare utlöst den här övergången i nanopartiklar av vanadindioxid direkt med laser och vi ville se om vi kunde göra det med elektroner också, sa Richard Haglund, Stevenson professor i fysik vid Vanderbilt, som ledde studien. "Det fungerar inte bara, men injektionen av heta elektroner från guldnanopartiklarna utlöser också transformationen med en femtedel till en tiondel så mycket energi som krävs genom att lysa lasern direkt på den bara VO ₂ . "

Både industri och regering investerar mycket i ansträngningar för att integrera optik och elektronik, eftersom det allmänt anses vara nästa steg i utvecklingen av informations- och kommunikationsteknik. Intel, Hewlett-Packard och IBM har byggt chips med ökande optisk funktionalitet under de senaste fem åren som arbetar med gigahertz-hastigheter, en tusendel av VO ₂ växla.

"Vanadiumdioxidswitchar har ett antal egenskaper som gör dem idealiska för optoelektronikapplikationer, ", sa Haglund. Förutom deras snabba hastighet och ringa storlek, de:

• är helt kompatibla med nuvarande integrerade kretsteknologi, både kiselbaserade chips och de nya "high-K dielektriska" materialen som halvledarindustrin utvecklar för att fortsätta miniatyriseringsprocessen som har varit en viktig aspekt av utvecklingen av mikroelektronikteknologi;
• Arbeta i det synliga och nära infraröda området av spektrumet som är optimalt för telekommunikationstillämpningar;
• Generera en värmemängd per operation som är tillräckligt låg så att omkopplarna kan packas tillräckligt hårt för att göra praktiska enheter:cirka tio biljondelar kalori (100 femtojoule) per bit.

"Vanadiumdioxid fantastiska egenskaper har varit kända i mer än ett halvt sekel. På Vanderbilt, vi har studerat VO ₂ nanopartiklar under de senaste tio åren, men materialet har varit anmärkningsvärt framgångsrikt när det gäller att motstå teoretiska förklaringar, ", sa Haglund. "Det är först under de senaste åren som intensiva beräkningsstudier har belyst den fysik som ligger bakom dess övergång mellan halvledare och metall."

Vanderbilt-studenterna Kannatassen Appavoo och Joyeeta Nag tillverkade metamaterialet på Vanderbilt; Appavoo gick samman med University of Alabama, Birmingham doktorand Nathaniel Brady och professor David Hilton för att utföra de ultrasnabba laserexperimenten under ledning av Los Alamos National Laboratorys personalforskare Rohit Prasankumar och postdoktor Minah Seo. De teoretiska och beräkningsstudier som hjälpte till att reda ut den komplexa mekanismen för fasövergången på nanoskala utfördes av postdoktoranden Bin Wang och Sokrates Pantelides, University Distinguished Professor of Physics and Engineering vid Vanderbilt.