Forskare har upptäckt nya partiklar som kan ligga i hjärtat av en framtida teknisk revolution baserad på fotoniska kretsar, leder till supersnabb, ljusbaserad dator.

Nuvarande datorteknik är baserad på elektronik, där elektroner används för att koda och transportera information.

På grund av vissa grundläggande begränsningar, såsom energiförlust genom resistiv uppvärmning, det förväntas att elektroner så småningom kommer att behöva ersättas av fotoner, vilket leder till futuristiska ljusbaserade datorer som är mycket snabbare och effektivare än nuvarande elektroniska.

Fysiker vid University of Exeter har tagit ett viktigt steg mot detta mål, eftersom de har upptäckt nya halvlätta halvämnespartiklar som ärver några av grafens anmärkningsvärda egenskaper.

Denna upptäckt öppnar dörren för utvecklingen av fotoniska kretsar med hjälp av dessa alternativa partiklar, känd som masslösa Dirac -polaritoner, att transportera information snarare än elektroner.

Dirac polaritoner dyker upp i bikakemetasytor, som är ultratunna material som är konstruerade för att ha struktur på nanoskala, mycket mindre än ljusets våglängd.

En unik egenskap hos Dirac -partiklar är att de efterliknar relativistiska partiklar utan massa, så att de kan resa mycket effektivt. Detta faktum gör grafen till ett av de mest ledande materialen som människan känner till.

Dock, trots deras extraordinära egenskaper, det är väldigt svårt att kontrollera dem. Till exempel, i grafen är det omöjligt att slå på/av elektriska strömmar med hjälp av enkel elektrisk potential, vilket hindrar den potentiella implementeringen av grafen i elektroniska enheter.

Denna grundläggande nackdel - bristen på justerbarhet - har framgångsrikt övervinnats på ett unikt sätt av fysikerna vid University of Exeter.

Charlie-Ray Mann, huvudförfattaren till tidningen publicerad i Naturkommunikation , förklarar:"För grafen, man måste vanligtvis modifiera bikakegitteret för att ändra dess egenskaper, till exempel genom att anstränga bikakegitteret som är extremt utmanande att göra kontrollerbart. "

"Den viktigaste skillnaden här är att Dirac -polaritonerna är hybridpartiklar, en blandning av ljus- och materialkomponenter. Det är denna hybridnatur som ger oss ett unikt sätt att justera deras grundläggande egenskaper, genom att endast manipulera deras ljuskomponent, något som är omöjligt att göra i grafen. "

Forskarna visar att genom att bädda in bikakemetan mellan två reflekterande speglar och ändra avståndet mellan dem, man kan ställa in de grundläggande egenskaperna hos Dirac polaritoner på ett enkelt, kontrollerbart och reversibelt sätt.

"Vårt arbete har avgörande konsekvenser för forskningsområdena fotonik och Dirac -partiklar, "tillägger Dr Eros Mariani, huvudutredare på studien.

"Vi har visat förmågan att sakta ner eller till och med stoppa Dirac -partiklarna, och ändra sin interna struktur, deras kiralitet, rent tekniskt, vilket är omöjligt att göra i grafen själv "

"Vårt arbete kommer att utgöra ett viktigt steg i den fotoniska kretsrevolutionen."

Studien "Manipulation type-I and type-II Dirac polaritons in cavity-embedded honeycomb metasurfaces" (DOI:10.1038/s41467-018-03982-7) publicerades i Naturkommunikation .