Traditionella mikroelektroniska arkitekturer, med transistorer för att styra elektriska strömmar längs ledningar, driver allt från avancerade datorer till vanliga enheter.
Men med de integrerade kretsarna som erbjuder minskande avkastning när det gäller hastighet och anpassningsförmåga, utvecklar Los Alamos National Laboratory-forskare ljusbaserade system i nanometerskala som kan leverera genombrott för ultrasnabb mikroelektronik, infraröd detektering i rumstemperatur (till exempel mörkerseende) och en mängd olika tekniska tillämpningar.
"De flesta moderna tekniker, från datorer till applikationer som energiskörd, bygger på förmågan att driva runt elektroner", säger Jacob Pettine, Los Alamos-fysiker vid Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). "Men sättet vi kontrollerar detta laddningsflöde är fortfarande mycket begränsat av konventionella material och strukturer."
Som beskrivs i en artikel som just publicerats i Nature , forskargruppen designade och tillverkade asymmetriska guldstrukturer i nanostorlek på ett atomärt tunt lager av grafen. Guldstrukturerna kallas "nanoantenner" baserat på hur de fångar och fokuserar ljusvågor och bildar optiska "hot spots" som exciterar elektronerna i grafenet. Endast grafenelektronerna mycket nära de heta fläckarna exciteras, medan resten av grafenen förblir mycket mindre exciterad.
Forskargruppen antog en droppform av guldnanoantenner, där brytningen av inversionssymmetri definierar en riktning längs strukturen. De heta fläckarna är endast belägna vid nanoantennernas skarpa spetsar, vilket leder till en bana på vilken de exciterade heta elektronerna flödar med nettoriktbarhet — en laddningsström, kontrollerbar och avstämbar på nanometerskala genom spännande olika kombinationer av heta fläckar.
"Dessa metasytor ger ett enkelt sätt att kontrollera amplituden, platsen och riktningen för hot spots och laddningsström i nanoskala med en svarshastighet som är snabbare än en pikosekund", säger Hou-Tong Chen, en forskare vid CINT som övervakar forskningen. "Du kan då tänka på mer detaljerade funktioner."
Den konceptuella demonstrationen i dessa optoelektroniska metasytor har ett antal lovande tillämpningar. Den genererade laddningsströmmen kan naturligt utnyttjas som signalen för fotodetektion, särskilt viktig vid infraröd region med långa våglängder. Systemet kan fungera som en källa för terahertzstrålning, användbar i en rad tillämpningar från ultrahöghastighets trådlös kommunikation till spektroskopisk karakterisering av material. Systemet skulle också kunna erbjuda nya möjligheter för att kontrollera nanomagnetism, där de specialiserade strömmarna kan utformas för anpassningsbara, nanoskaliga magnetiska fält.
Den nya förmågan kan också visa sig vara viktig för ultrasnabb informationsbehandling, inklusive beräkning och mikroelektronik. Möjligheten att använda laserpulserna och metasytorna för adaptiva kretsar skulle kunna möjliggöra sändning av långsammare och mindre mångsidiga transistorbaserade dator- och elektronikarkitekturer. Till skillnad från konventionella kretsar kan adaptiva strukturerade ljusfält erbjuda helt nya designmöjligheter.
"Dessa resultat lägger grunden för mångsidig mönstring och optisk kontroll över strömmar i nanoskala," sa Pettine. "Tillsammans med de värdefulla tillämpningarna i laboratoriet kan vektoriella metasytor möjliggöra framsteg inom många olika tekniska områden."
Mer information: Jacob Pettine et al, Ljusdrivna vektorströmmar i nanoskala, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07037-4
Tillhandahålls av Los Alamos National Laboratory
