Fotoniska kretsar, som använder ljus för att sända signaler, är markant snabbare än elektroniska kretsar. Tyvärr, de är också större. Det är svårt att lokalisera synligt ljus under dess diffraktionsgräns, cirka 200-300 nanometer, och eftersom komponenter i elektroniska halvledare har krympt till nanometerskalan, den fotoniska kretsens storleksbegränsning har gett elektroniska kretsar en betydande fördel, trots hastighetsskillnaden.

Nu har forskare vid University of Rochester visat en nyckelprestation i att krympa fotoniska enheter under diffraktionsgränsen - ett nödvändigt steg på vägen för att göra fotoniska kretsar konkurrenskraftiga med dagens teknik. Forskarna utvecklade en fotodetektor i nanoskala som använder det vanliga materialet molybdendisulfid för att detektera optiska plasmoner - färdas elektronsvingningar under diffraktionsgränsen - och framgångsrikt demonstrerade att ljus kan driva en ström med en silver nanotråd.

"Våra enheter är ett steg mot miniatyrisering under diffraktionsgränsen, sa Kenneth Goodfellow, en doktorand i laboratoriet för Quantum Optoelectronics and Optical Metrology Group, Institutet för optik, University of Rochester, New York. "Det är ett steg mot att använda ljus för att köra, eller, åtminstone komplettera elektroniska kretsar för snabbare informationsöverföring."

Teamet kommer att presentera sitt arbete på Frontiers in Optics, Optical Societys årliga möte och konferens i San Jose, Kalifornien, USA, den 22 oktober 2015.

Enheten expanderar på tidigare arbete som visar att ljus kan överföras längs en silver nanotråd som en plasmon och återutsändas i andra änden, som var täckt med atomärt tunna flingor av molybdendisulfid (MoS2). Vid återutsändning, ljuset motsvarade bandgapet för MoS2, snarare än enbart till laserns våglängd, demonstrerar att plasmonerna effektivt knuffade elektronerna i MoS2 till ett annat energitillstånd.

"Den naturliga nästa idén skulle vara att se om denna typ av enhet skulle kunna användas som en fotodetektor, sa Goodfellow.

Att göra detta, gruppen överförde en silver nanotråd belagd i ena änden med MoS2 på ett kiselsubstrat och avsatte metallkontakter på samma ände med elektronstrålelitografi. De kopplade sedan enheten till utrustning för att kontrollera dess förspänning, eller fixat, spänning och för att mäta strömmen som går genom den.

När den avtäckta änden av tråden exponerades för en laser, energin omvandlades till plasmoner, en form av elektromagnetisk våg som färdas genom oscillationer i elektrondensitet. Denna energi exciterade elektroniskt en elektron när den nådde den molybdendisulfidtäckta änden, effektivt genererar en ström.

Genom att skanna tråden bit för bit med en laser – en process som kallas rasterskanning – kunde forskarna mäta ström vid varje punkt längs tråden, fann att det var känsligt för polariseringen av det inkommande ljuset och var som starkast när ljuset polariserades parallellt med tråden. De fann också att enheten var känslig för laserns excitationsvåglängd, och prestandan var begränsad vid kortare våglängder på grund av ineffektiv plasmonutbredning och vid längre våglängder på grund av bandgapet hos molybdendisulfid.

"Fullständiga fotoniska kretsar ligger någon gång i framtiden, men detta arbete hjälper till att mata den nuvarande ansträngningen, sa Goodfellow.

Framtida arbete för gruppen inkluderar att minska potentiell kontaminering i enhetsmontering genom att övergå till en fullständig torr överföring av ledningar och MoS2 till prefabricerade elektroder, samt att få bättre kontroll över MoS2-dopningsprocessen för att lägga till ytterligare laddningsbärare och förbättra enhetens effektivitet.