University of Minnesota elektrotekniska forskare har utvecklat en unik nanoskala -enhet som för första gången visar mekanisk transport av ljus. Upptäckten kan få stora konsekvenser för att skapa snabbare och mer effektiva optiska enheter för beräkning och kommunikation.

Forskningspapper av University of Minnesota elektriska och datatekniska biträdande professor Mo Li och hans doktorand Huan Li har publicerats online och kommer att visas i oktobernumret av Naturens nanoteknik .

Forskare utvecklade en ny enhet i nanoskala som kan fånga, mäta och transportera grundläggande ljuspartiklar, kallas fotoner. Den lilla enheten är bara 0,7 mikrometer gånger 50 mikrometer (cirka 0,00007 gånger 0,005 centimeter) och fungerar nästan som en gungbräda. På varje sida om "gungbrädorna, "Forskare etsade en rad hål, kallas fotoniska kristallhåligheter. Dessa håligheter fångar fotoner som strömmade från en närliggande källa.

Även om ljuspartiklarna inte har någon massa, de fångade fotonerna kunde spela gungbräda eftersom de genererade optisk kraft. Forskare jämförde de optiska krafterna som genererades av fotoner som fångas i håligheterna på de två sidorna av gungbrädan genom att observera hur gungbrädan rörde sig upp och ner. På det här sättet, forskarna vägde fotonerna. Deras enhet är tillräckligt känslig för att mäta kraften som genereras av en enda foton, vilket motsvarar ungefär en tredjedel av en tusen biljondel av ett pund eller en sjundedel av en tusen biljondel av ett kilo.

Professor Li och hans forskargrupp använde också gungbrädan för att experimentellt demonstrera för första gången den mekaniska styrningen av att transportera ljus.

"När vi fyllde kaviteten på vänster sida med fotoner och lämnade kaviteten på höger sida tom, kraften som genererades av fotonerna började svänga gungbrädan. När oscillationen var tillräckligt stark, fotonerna kan spilla över längs strålen från den fyllda kaviteten till den tomma kaviteten under varje cykel, "Sa Li." Vi kallar fenomenet för "foton shuttling." "

Ju starkare svängning, desto fler fotoner flyttas till andra sidan. För närvarande har laget kunnat transportera cirka 1, 000 fotoner i en cykel. För jämförelse, en 10W glödlampa avger 1020 fotoner varje sekund. Teamets slutmål är att transportera endast en foton i en cykel så att ljusets kvantfysik kan avslöjas och utnyttjas.

"Förmågan att mekaniskt kontrollera fotonrörelser i motsats till att kontrollera dem med dyra och besvärliga optoelektroniska enheter kan representera ett betydande framsteg inom tekniken, sa Huan Li, tidningens huvudförfattare.

Forskningen skulle kunna användas för att utveckla ett extremt känsligt mikromekaniskt sätt att mäta acceleration av en bil eller en löpare, eller kan användas som en del av ett gyroskop för navigering, sa Li.

I framtiden, forskarna planerar att bygga sofistikerade fotonskyttlar med fler fällor på vardera sidan av gungbrädan som kan transportera fotoner över större avstånd och med högre hastigheter. De förväntar sig att sådana enheter kan spela en roll för att utveckla mikroelektroniska kretsar som skulle använda ljus istället för elektroner för att bära data, vilket skulle göra dem snabbare och förbrukar mindre ström än traditionella integrerade kretsar.