Dagens datorer är snabbare och mindre än någonsin tidigare. Den senaste generationen transistorer kommer att ha strukturella egenskaper med dimensioner på endast 10 nanometer. Om datorer ska bli ännu snabbare och samtidigt mer energieffektiva i dessa små skalor, de kommer förmodligen att behöva bearbeta information med hjälp av lätta partiklar istället för elektroner. Detta kallas "optisk datoranvändning".

Fiberoptiska nätverk använder redan ljus för att transportera data över långa avstånd med hög hastighet och med minimal förlust. Diametrarna på de tunnaste kablarna, dock, är i mikrometerområdet, eftersom ljusvågorna – med en våglängd på runt en mikrometer – måste kunna svänga obehindrat. För att bearbeta data på ett mikro- eller till och med nanochip, ett helt nytt system krävs därför.

En möjlighet skulle vara att leda ljussignaler via så kallade plasmonoscillationer. Detta involverar en ljuspartikel (foton) som exciterar elektronmolnet i en guldnanopartikel så att den börjar svänga. Dessa vågor färdas sedan längs en kedja av nanopartiklar med ungefär 10 % av ljusets hastighet. Detta tillvägagångssätt uppnår två mål:dimensioner i nanometerskala och enorm hastighet. Det som återstår, dock, är energiförbrukningen. I en kedja som består rent av guld, detta skulle vara nästan lika högt som i konventionella transistorer, på grund av den avsevärda värmeutvecklingen i guldpartiklarna.

En liten fläck av silver

Tim Liedl, Professor i fysik vid LMU och PI vid cluster of excellence Nanosystems Initiative Munich (NIM), tillsammans med kollegor från Ohio University, har nu publicerat en artikel i tidskriften Naturfysik , som beskriver hur silvernanopartiklar kan minska energiförbrukningen avsevärt. Fysikerna byggde en sorts miniatyrtestbana med en längd på cirka 100 nanometer, består av tre nanopartiklar:en guldnanopartikel i varje ände, med en silver nanopartikel precis i mitten.

Silvret fungerar som en slags mellanhand mellan guldpartiklarna samtidigt som det inte försvinner energi. För att få silverpartikelns plasmon att svänga, mer excitationsenergi krävs än för guld. Därför, energin bara flyter "runt" silverpartikeln. "Transporten förmedlas via kopplingen av de elektromagnetiska fälten runt de så kallade hot spots som skapas mellan var och en av de två guldpartiklarna och silverpartikeln, " förklarar Tim Liedl. "Detta gör att energin kan transporteras nästan utan förlust, och på en femtosekundsskala."

Lärobok kvantmodell

Den avgörande förutsättningen för experimenten var det faktum att Tim Liedl och hans kollegor är experter på den utsökt exakta placeringen av nanostrukturer. Detta görs med DNA-origamimetoden, som gör att olika kristallina nanopartiklar kan placeras på exakt definierade nanodistånd från varandra. Liknande experiment hade tidigare utförts med användning av konventionella litografitekniker. Dock, dessa ger inte den nödvändiga rumsliga precisionen, i synnerhet där olika typer av metaller är inblandade.

Parallellt, fysikerna simulerade experimentupplägget på datorn – och fick sina resultat bekräftade. Förutom klassiska elektrodynamiska simuleringar, Alexander Govorov, Professor i fysik vid Ohio University, Aten, USA, kunde etablera en enkel kvantmekanisk modell:"I denna modell, de klassiska och de kvantmekaniska bilderna matchar väldigt bra, vilket gör det till ett potentiellt exempel för läroböckerna."