Nya transparenta metamaterial under utveckling kan möjliggöra datorchips och sammankopplingskretsar som använder ljus istället för elektroner för att bearbeta och överföra data, representerar ett potentiellt språng i prestanda.

Även om optiska fibrer nu används för att överföra stora mängder data över stora avstånd, tekniken kan inte lätt miniatyriseras eftersom ljusets våglängd är för stor för att rymmas inom mikrokretsarnas miniscule dimensioner.

"Optiska fibrers roll är att leda ljus från punkt A till punkt B, faktiskt, över kontinenter, "sade Zubin Jacob, en biträdande professor i el- och datateknik vid Purdue University. "Den största fördelen med att göra detta jämfört med kopparkablar är att det har en mycket hög bandbredd, så stora mängder data kan passera genom dessa optiska kablar i motsats till koppartrådar. Dock, på våra datorer och konsumentelektronik använder vi fortfarande koppartrådar mellan olika delar av chipet. Anledningen är att du inte kan begränsa ljus till samma storlek som en nanoskala koppartråd. "

Transparenta metamaterial, nanostrukturerade konstgjorda medier med transparenta byggstenar, tillåta oöverträffad kontroll av ljus och kan representera en lösning. Forskare gör framsteg i utvecklingen av metamaterial som krymper ljusets våglängd, pekar på en strategi för att använda ljus istället för elektroner för att bearbeta och överföra data i datorchips.

"Om du har mycket hög bandbreddskommunikation på chipet samt sammankopplade kretsar mellan chips, du kan gå till snabbare klockhastigheter, så snabbare databehandling, "Sa Jacob. Ett sådant framsteg kan göra det möjligt att krympa massan av ett högpresterande datorkluster till storleken på en vanlig stationär dator.

Till skillnad från vissa av metamaterialen under utveckling, som förlitar sig på användningen av ädelmetaller som guld och silver, de nya metamaterialen är helt tillverkade av dielektriska material, eller isolatorer och icke-metaller. Detta tillvägagångssätt kan göra det möjligt för forskare att övervinna en stor begränsning som hittills stött på i utvecklingen av teknik baserad på metamaterial:användning av metaller resulterar i förlust av för mycket ljus för att vara praktisk för många applikationer.

En översiktsartikel om alla dielektriska metamaterial dök upp online denna månad i tidningen Naturnanoteknik , betonar den snabba utvecklingen inom detta nya forskningsområde. Artikeln författades av doktoranden Saman Jahani och Jacob.

"En nyckelfaktor är att vi inte använder metaller alls i detta metamaterial, för om du använder metaller går mycket av ljuset in i värme och går förlorat, "Jacob sa." Vi vill ta med allt till kiselplattformen eftersom det här är det bästa materialet för att integrera elektroniska och fotoniska enheter på samma chip. "

En kritisk detalj är materialets "anisotropa hastighet" - vilket betyder att ljus överförs mycket snabbare i en riktning genom materialet än i en annan. Konventionella material överför ljus med nästan samma hastighet oavsett vilken riktning det rör sig genom materialet.

"Den knepiga delen av detta arbete är att vi kräver att materialet är mycket anisotropiskt, "sa han." Så i en riktning färdas ljuset nästan lika snabbt som i ett vakuum, och i den andra riktningen färdas den som i kisel, vilket är ungefär fyra gånger långsammare. "

Innovationen kan göra det möjligt att ändra ett fenomen som kallas "total intern reflektion, "den princip som för närvarande används för att styra ljus i fiberoptik. Forskarna arbetar med att konstruera total inre reflektion i optiska fibrer omgiven av det nya kiselbaserade metamaterialet.

"Vårt bidrag har i grunden varit det faktum att vi har kunnat anpassa detta totala interna reflektionsfenomen ner till nanoskala, som konventionellt trodde var omöjligt, "Sa Jacob.

Eftersom materialet är transparent är det lämpligt att överföra ljus, vilket är en kritisk fråga för praktiska apparapplikationer. Metoden kan minska uppvärmningen i kretsar, vilket innebär att mindre ström skulle krävas för att driva enheter. En sådan innovation kan på sikt ge miniatyriserade databehandlingsenheter.

"En annan fascinerande applikation för dessa transparenta metamaterial är att förbättra ljus-materia-koppling för enstaka kvantljusemitterare, "Sa Jacob." Storleken på ljusvågor inuti en fiber är för stor för att effektivt interagera med små atomer och molekyler. Den transparenta metamaterialbeklädnaden kan komprimera ljusvågorna till sub-våglängdsvärden, vilket gör att ljus effektivt kan interagera med kvantobjekt. Detta kan bana väg för ljuskällor på enfotonnivån. "