Ljus som emitteras från undersidan av kaviteten. DE prickade konturerna representerar orienteringen av kadmiumselenid nanotråden.
Kapplöpet att göra datorkomponenter mindre och snabbare och använda mindre ström tänjer på gränserna för elektronernas egenskaper i ett material. Fotoniska system kan så småningom ersätta elektroniska, men grunderna för beräkning, blanda två ingångar till en enda utgång, kräver för närvarande för mycket utrymme och kraft när det görs med ljus.
Forskare vid University of Pennsylvania har konstruerat ett nanotrådssystem som kan bana väg för denna förmåga, kombinera två ljusvågor för att producera en tredje med en annan frekvens och använda en optisk kavitet för att förstärka utsignalens intensitet till en användbar nivå.
Studien leddes av Ritesh Agarwal, professor i materialvetenskap och teknik vid Penns School of Engineering and Applied Science, och Ming-Liang Ren, en postdoktor i sitt labb. Andra medlemmar av Agarwal-labbet, Wenjing Liu, Carlos O. Aspetti och Liaoxin Sun, bidragit till studien.
Den publicerades i Naturkommunikation .
Nuvarande datorsystem representerar bitar av information - 1:orna och 0:orna för binär kod - med elektricitet. Kretselement, som transistorer, arbeta på dessa elektriska signaler, producerar utdata som är beroende av deras input.
"Att blanda två insignaler för att få en ny utgång är grunden för beräkningen, Agarwal sa. "Det är lätt att göra med elektriska signaler, men det är inte lätt att göra med ljus, eftersom ljusvågor normalt inte interagerar med varandra."
En schematisk bild av den optiska kaviteten.
Svårigheten med att "mixa" ljus kan verka kontraintuitiv, med tanke på omfånget av färger på TV eller datorskärm som produceras enbart av kombinationer av rött, gröna och blå pixlar. De gula, apelsiner och lila dessa displayer gör, dock, är ett trick för uppfattning, inte av fysiken. Rött och blått ljus upplevs helt enkelt samtidigt, snarare än att kombineras till en enda lila våglängd.
Så kallade "icke-linjära" material är kapabla till denna typ av blandning, men även de bästa kandidaterna i denna kategori är ännu inte livskraftiga för beräkningstillämpningar på grund av hög effekt och stora volymbegränsningar.
"Ett icke-linjärt material, en sådan kadmiumsulfid, kan ändra frekvensen, och därmed färgen, av ljus som passerar genom den, " sa Ren, "men du behöver en kraftfull laser, och, ändå, materialet måste vara många mikrometer och till och med upp till millimeter tjockt. Det fungerar inte för ett datorchip."
För att minska volymen av materialet och kraften hos ljuset som behövs för att göra användbar signalblandning, forskarna behövde ett sätt att förstärka intensiteten hos en ljusvåg när den passerade genom en nanotråd av kadmiumsulfid.
Forskarna uppnådde detta genom en smart bit av optisk ingenjörskonst:att delvis slå in nanotråden i ett silverskal som fungerar som en ekokammare. Agarwals grupp hade använt en liknande design tidigare i ett försök att skapa fotoniska enheter som kunde slå på och av mycket snabbt. Denna kvalitet förlitade sig på ett fenomen som kallas ytplasmonresonans, men, genom att ändra polariseringen av ljuset när det kommer in i nanotråden, forskarna kunde bättre begränsa det till frekvensändring, olinjär del av enheten:nanotrådskärnan.
"Genom att konstruera strukturen så att ljus mestadels finns i kadmiumsulfiden snarare än i gränsytan mellan den och silverskalet, vi kan maximera intensiteten samtidigt som vi genererar den andra övertonen, " sa Ren.
Som en andra överton spelad på en gitarrsträng, detta innebar en fördubbling av ljusvågens frekvens. Information i ett fotoniskt datorsystem kan kodas i en vågs frekvens, eller antalet svängningar den gör på en sekund. Att kunna manipulera den kvaliteten i en våg med en annan möjliggör grunderna för datorlogik.
"Vi vill visa att vi kan summera två ljusfrekvenser, "Agarwal sa, "så vi förenklade experimentet. Genom att ta en frekvens och lägga till den till sig själv, du får dubbla frekvensen i slutändan. I sista hand, vi vill kunna ställa in ljuset till vilken frekvens som helst som behövs, vilket kan göras genom att ändra storleken på nanotråden och skalet."
Viktigast av allt, dock, var att denna frekvensblandning var möjlig på nanoskala med mycket hög effektivitet. Forskarnas optiska kavitet kunde öka utgångsvågens intensitet med mer än tusen gånger.
"Den frekvensförändrande effektiviteten hos kadmiumsulfid är inneboende för materialet, men det beror på volymen av materialet vågen passerar genom, ", sa Agarwal. "Genom att lägga till silverskalet, vi kan avsevärt minska volymen som behövs för att få en användbar signal och skjuta enhetens storlek till nanoskalan."
