Jakten på nästa generations teknik sätter en premie på att producera ökad hastighet och effektivitet med komponenter byggda i skalor som är tillräckligt små för att fungera på ett datorchip.
Ett av hindren för framsteg inom "on-chip" kommunikation är storleken på de elektromagnetiska vågorna vid radio- och mikrovågsfrekvenser, som utgör ryggraden i modern trådlös teknik. De relativt stora vågorna handbojor ytterligare miniatyrisering.
Forskare som försöker överträffa dessa begränsningar undersöker potentialen för optisk transport som utnyttjar egenskaperna hos mycket mindre våglängder, som de i terahertz, infraröda och synliga frekvenser.
Ett team av forskare vid Boston College har utvecklat det första trådlösa kommunikationssystemet i nanoskala som fungerar vid synliga våglängder med hjälp av antenner som skickar och tar emot ytplasmoner med en oöverträffad grad av kontroll, laget rapporterar i den senaste upplagan av tidskriften Nature's Vetenskapliga rapporter .
Vidare, enheten ger en "in-plane"-konfiguration, en uppskattad klass av tvåvägsinformationsöverföring och återställning på en enda väg, enligt studien, utförd av ett team i labbet av Evelyn J. och Robert A. Ferris professor i fysik Michael J. Naughton.
Fynden markerar ett viktigt första steg mot en nanoskalaversion - och synlig frekvensekvivalent - av befintliga trådlösa kommunikationssystem, enligt forskarna. Sådana on-chip-system skulle kunna användas för höghastighetskommunikation, högeffektiv plasmonisk vågledning och kretsomkoppling i planet - en process som för närvarande används i flytande kristallskärmar.
Enheten uppnådde kommunikation över flera våglängder i tester med hjälp av optisk mikroskopi med närfältsskanning, enligt huvudmedförfattaren Juan M. Merlo, en postdoktor som initierade projektet.
"Juan kunde trycka den bortom närområdet - åtminstone till fyra gånger bredden på en våglängd. Det är äkta fjärrfältsöverföring och nästan varje enhet vi använder dagligen - från våra mobiltelefoner till våra bilar - är beroende av på fjärrsändning, sa Naughton.
Enheten kan påskynda överföringen av information med så mycket som 60 procent jämfört med tidigare plasmoniska vågledningstekniker och upp till 50 procent snabbare än plasmoniska nanotrådvågledare, laget rapporterar.
Ytplasmoner är oscillationerna av elektroner kopplade till gränsytan mellan ett elektromagnetiskt fält och en metall. Bland deras unika förmågor, ytplasmoner kan begränsa energi på det gränssnittet genom att passa in i utrymmen som är mindre än själva vågorna.
Forskare som försöker utnyttja dessa subvåglängdsförmåga hos ytplasmoner har utvecklat metalliska strukturer, inklusive plasmoniska antenner. Men ett ihållande problem har varit oförmågan att uppnå "in-line" inneslutning av emissionen och uppsamlingen av den elektromagnetiska strålningen.
BC-teamet utvecklade en enhet med en omvandlingsprocess i tre steg som ändrar en ytplasmon till en foton vid överföring och sedan omvandlar den elementära elektromagnetiska partikeln tillbaka till en ytplasmon när mottagaren tar upp den.
"Vi har utvecklat en enhet där plasmoniska antenner kommunicerar med varandra med fotoner som sänder mellan dem, " sa Naughton. "Detta görs med hög effektivitet, med energiförlust minskad med 50 procent mellan en antenn och nästa, vilket är en betydande förbättring jämfört med jämförbara arkitekturer."
Centralt för den nyfunna kontrollen av ytplasmonerna var skapandet av ett litet luftgap mellan vågorna och enhetens silveryta, sa Merlo, som tog sin doktorsexamen vid Mexikos National Institute of Astrophysics, Optik och elektronik. Genom att ta bort en del av glassubstratet, teamet minskade den störande dragningen av materialet på fotoner i överföring. Att utöka och minska det gapet visade sig vara avgörande för att ställa in enheten.
Med traditionella kiselvågledare, spridning minskar informationsöverföringshastigheten. Utan det hindret, den nya enheten utnyttjar förmågan hos ytplasmoner att färdas med 90 till 95 procent av ljusets hastighet på en silveryta och fotoner som färdas mellan antennerna med deras inneboende ljushastighet, sa Merlo.
"Kiselbaserad optisk teknik har funnits i flera år, ", sa Merlo. "Vad vi gör är att förbättra den för att göra den snabbare. Vi utvecklar ett verktyg för att göra kiselfotonik snabbare och avsevärt förbättra kommunikationshastigheten."
