Forskare har utvecklat en ultrasnabb ljusemitterande enhet som kan slå på och av 90 miljarder gånger i sekunden och kan utgöra grunden för optisk beräkning.

På sin mest grundläggande nivå, din smarta telefons batteri driver miljarder transistorer som använder elektroner för att slå på och av miljarder gånger per sekund. Men om mikrochips kunde använda fotoner istället för elektroner för att bearbeta och överföra data, datorer kan fungera ännu snabbare.

Men först måste ingenjörer bygga en ljuskälla som kan slås på och av så snabbt. Även om lasrar kan uppfylla detta krav, de är för energikrävande och svårhanterliga för att integreras i datorchips.

Duke University-forskare är nu ett steg närmare en sådan ljuskälla. I en ny studie, ett team från Pratt School of Engineering pressade halvledarkvantpunkter för att avge ljus med mer än 90 gigahertz. Denna så kallade plasmoniska enhet skulle en dag kunna användas i optiska datorchips eller för optisk kommunikation mellan traditionella elektroniska mikrochips.

Studien publicerades online den 27 juli Naturkommunikation .

"Detta är något som forskarsamhället har velat göra länge, sa Maiken Mikkelsen, en biträdande professor i el- och datateknik och fysik vid Duke. "Vi kan nu börja fundera på att göra snabbväxlingsenheter baserade på denna forskning, så det är mycket spänning kring den här demonstrationen."

Det nya hastighetsrekordet sattes med plasmonics. När en laser lyser på ytan av en silverkub bara 75 nanometer bred, de fria elektronerna på dess yta börjar svänga ihop i en våg. Dessa svängningar skapar sitt eget ljus, som reagerar igen med de fria elektronerna. Energi som fångas på ytan av nanokuben på detta sätt kallas en plasmon.

Plasmonen skapar ett intensivt elektromagnetiskt fält mellan nanokuben i silver och ett tunt guldskiva placerat bara 20 atomer bort. Detta fält interagerar med kvantpunkter - sfärer av halvledande material bara sex nanometer breda - som är inklämda mellan nanokuben och guldet. Kvantprickarna, i tur och ordning, producera en riktad, effektiv emission av fotoner som kan slås på och av vid mer än 90 gigahertz.

"Det finns ett stort intresse för att ersätta lasrar med lysdioder för kortdistans optisk kommunikation, men dessa idéer har alltid begränsats av den långsamma emissionshastigheten av fluorescerande material, bristande effektivitet och oförmåga att styra fotonerna, sade Gleb Akselrod, en postdoktoral forskning i Mikkelsens laboratorium. "Nu har vi tagit ett viktigt steg mot att lösa dessa problem."

"Det slutliga målet är att integrera vår teknik i en enhet som kan exciteras antingen optiskt eller elektriskt, sa Thang Hoang, även postdoktor i Mikkelsens laboratorium. "Det är något som jag tror att alla, inklusive finansiärer, pressar på ganska hårt för."

Gruppen arbetar nu med att använda den plasmoniska strukturen för att skapa en enda fotonkälla - en nödvändighet för extremt säker kvantkommunikation - genom att lägga en enda kvantprick i gapet mellan silvernanokuben och guldfolien. De försöker också att exakt placera och orientera kvantprickarna för att skapa de snabbaste fluorescenshastigheterna som möjligt.

Bortsett från dess potentiella tekniska effekter, forskningen visar att välkända material inte behöver begränsas av sina inneboende egenskaper.

"Genom att skräddarsy miljön runt ett material, som vi har gjort här med halvledare, vi kan skapa nya designermaterial med nästan alla optiska egenskaper vi önskar, ", sa Mikkelsen. "Och det är ett framväxande område som är fascinerande att tänka på."