Ingenjörer vid Duke University har demonstrerat en enhet som kan rikta fotoner av ljus runt skarpa hörn med praktiskt taget inga förluster på grund av bakåtspridning, en nyckelegenskap som kommer att behövas om elektronik någonsin ska ersättas med ljusbaserade enheter.

Resultatet uppnåddes med fotoniska kristaller byggda på konceptet topologiska isolatorer, som vann sina upptäckare ett Nobelpris 2016. Genom att noggrant kontrollera geometrin hos ett kristallgitter, forskare kan förhindra ljus att färdas genom dess inre samtidigt som det överför det perfekt längs dess yta.

Genom dessa begrepp, enheten uppnår sin nästan perfekta överföring runt hörn trots att den är mycket mindre än tidigare konstruktioner.

Semiconductor Industry Association uppskattar att antalet elektroniska enheter ökar så snabbt att år 2040, det kommer inte att finnas tillräckligt med kraft i hela världen för att driva dem alla. En potentiell lösning är att vända sig till masslösa fotoner för att ersätta de elektroner som för närvarande används för att överföra data. Förutom att spara energi, fotoniska system lovar också att vara snabbare och ha högre bandbredd.

Fotoner används redan i vissa applikationer som fotonisk kommunikation på chip. En nackdel med den nuvarande tekniken, dock, är att sådana system inte kan vända eller böja ljus effektivt. Men för att fotoner någonsin ska ersätta elektroner i mikrochips, att resa runt hörn i mikroskopiska utrymmen är en nödvändighet.

"Ju mindre enheten är desto bättre, men vi försöker såklart minimera förlusterna också, sa Wiktor Walasik, en postdoktor i el- och datateknik på Duke. "Det finns många människor som arbetar för att göra ett helt optiskt datorsystem möjligt. Vi är inte där än, men jag tror att det är den riktningen vi går."

Tidigare demonstrationer har också visat små förluster samtidigt som fotoner guidats runt hörn, men den nya Duke-forskningen gör det på en rektangulär enhet som bara är 35 mikrometer lång och 5,5 mikrometer bred - 100 gånger mindre än tidigare demonstrerade ringresonatorbaserade enheter.

I den nya studien, som dök upp online den 12 november i tidskriften Naturens nanoteknik , forskare tillverkade topologiska isolatorer med hjälp av elektronstrålelitografi och mätte ljustransmittansen genom en serie skarpa svängar. Resultaten visade att varje vända bara resulterade i förlust på några få procent.

"Att leda ljus runt skarpa hörn i konventionella fotoniska kristaller var möjligt tidigare men bara genom en lång mödosam process skräddarsydd för en specifik uppsättning parametrar, " sa Natasha Litchinitser, professor i el- och datateknik vid Duke. "Och om du gjorde ens det minsta misstag i dess tillverkning, det förlorade många av egenskaperna du försökte optimera."

"Men vår enhet kommer att fungera oavsett dess dimensioner eller geometri för fotonernas väg och fotontransporten är "topologiskt skyddad, '" lade Mikhail Shalaev till, doktorand i Litchinitsers laboratorium och första författare till uppsatsen. "Detta betyder att även om det finns mindre defekter i den fotoniska kristallina strukturen, vågledaren fungerar fortfarande väldigt bra. Det är inte så känsligt för tillverkningsfel."

Forskarna påpekar att deras enhet också har en stor driftsbandbredd, är kompatibel med moderna halvledartillverkningsteknologier, och fungerar vid våglängder som för närvarande används inom telekommunikation.

Forskarna försöker härnäst göra sin vågledare dynamiskt inställbar för att ändra bandbredden för dess operation. Detta skulle göra det möjligt för vågledaren att slås på och av efter behag - en annan viktig funktion för att helt optiska fotonbaserade teknologier någonsin ska bli verklighet.