En ny kombination av material kan effektivt leda elektricitet och ljus längs samma lilla tråd, ett fynd som kan vara ett steg mot att bygga datorchips som kan transportera digital information med ljusets hastighet.

Rapporterar idag i The Optical Societys (OSA) storslagna tidskrift Optica , Optik- och materialvetare vid University of Rochester och Swiss Federal Institute of Technology i Zürich beskriver en grundläggande modellkrets bestående av en silver nanotråd och en enkelskiktsflaka av molybendumdisulfid (MoS2).

Att använda en laser för att excitera elektromagnetiska vågor som kallas plasmoner vid ytan av tråden, forskarna fann att MoS2-flaken längst ut på tråden genererade stark ljusemission. Går åt andra hållet, när de exciterade elektronerna slappnade av, de samlades upp av tråden och omvandlades tillbaka till plasmoner, som sänder ut ljus med samma våglängd.

"Vi har funnit att det finns en uttalad nanoskala ljus-materia interaktion mellan plasmoner och atomärt tunt material som kan utnyttjas för nanofotoniska integrerade kretsar, " sa Nick Vamivakas, biträdande professor i kvantoptik och kvantfysik vid University of Rochester och senior författare till tidningen.

Vanligtvis skulle ungefär en tredjedel av den återstående energin gå förlorad för varje några mikron (miljondelar av en meter) som plasmonerna färdades längs tråden, förklarade Kenneth Goodfellow, en doktorand vid Rochester's Institute of Optics och huvudförfattare till Optica papper.

"Det var förvånande att se att tillräckligt med energi fanns kvar efter rundresan, sa Goodfellow.

Fotoniska enheter kan vara mycket snabbare än elektroniska, men de är skrymmande eftersom enheter som fokuserar ljus inte kan miniatyriseras nästan lika bra som elektroniska kretsar, sa Goodfellow. De nya resultaten lovar att styra överföringen av ljus, och bibehålla signalens intensitet, i mycket små dimensioner.

Ända sedan upptäckten av grafen, ett enda lager kol som kan extraheras från grafit med tejp, forskare har snabbt utforskat världen av tvådimensionella material. Dessa material har unika egenskaper som inte syns i sin bulkform.

Som grafen, MoS2 består av lager som är svagt bundna till varandra, så att de lätt kan separeras. I bulk MoS2, elektroner och fotoner interagerar som de skulle i traditionella halvledare som kisel och galliumarsenid. Eftersom MoS2 reduceras till tunnare och tunnare lager, överföringen av energi mellan elektroner och fotoner blir effektivare.

Nyckeln till MoS2:s önskvärda fotoniska egenskaper ligger i strukturen av dess energibandgap. När materialets antal lager minskar, det övergår från ett indirekt till direkt bandgap, som gör att elektroner enkelt kan röra sig mellan energiband genom att frigöra fotoner. Grafen är ineffektivt vid ljusemission eftersom det inte har något bandgap.

Att kombinera elektronik och fotonik på samma integrerade kretsar kan drastiskt förbättra prestandan och effektiviteten hos mobil teknik. Forskarna säger att nästa steg är att demonstrera sin primitiva krets med lysdioder.