Blauw is laserpuls (geen 100 fs, lijkt me). Bij de eerste rode stip wordt een deel van het invallende licht teruggekaatst (linker’wereldbol’), bij de tweede gaat het invallende licht geheel rechtdoor (rechter bol) (afb: MIPT)
Computers werken met elektronen. Die zijn rap, maar in vergelijking met (licht)deeltjes tergend traag. Er wordt al tijden gewerkt aan, onderdelen van lichtcomputers, maar vooralsnog is die nog nergens gerealiseerd. Mogelijk dat een Russische vinding de optische computer een stuk dichterbij brengt. Met nanodeeltjes van silicium die licht manipuleren zou een optische processor gebouwd kunnen worden.
Onderzoekers van de ITMO-universiteit in Sint Petersburg en het instituut voor fysica en technologie in Moskou lieten zien dat met die siliciumnanodeeltjes te werken valt. Je kunt er licht mee manipuleren met een snelheid in de orde van femtoseconden (10-15 s). Hun werk zou de basis zijn voor de ontwikkeling van optische componenten met een breed gebied aan toepassingen.
Met de nanodeeltjes kan licht verstrooid worden, gespiegeld of doorgelaten worden in een bepaalde richting afhankelijk van de lichtintensiteit. Daarmee zou een optische processor te maken zijn, de kern van een lichtcomputer.
Elektromagnetische straling, zoals licht, wordt veel gebruikt om informatie over te brengen. We hoeven alleen maar te denken aan de radiogolven, maar ook aan zichtbaar of infraroodlicht voor het overbrengen van informatie via glasvezel. Een belangrijk onderdeel in dat overbrengingsproces is de antenne die signalen ontvangt of doorgeeft. Die binnenkomende signalen moeten vervolgens (flexibel) verwerkt worden. Daarvoor is (soms) een aanpasbare antenne nodig, dat wil zeggen een antenne waarvan de eigenschappen (dwz het stralingspatroon) tijdens de signaalverwerking zijn te veranderen.
Een zo’n aanpasbare antenne is een niet-lineaire, die kan worden ‘bediend’ door het invallende licht. Met andere woorden de eigenschappen van het opvallende licht bepalen wat de antenne met het licht doet.
“Dat is een eerste vereiste en het is daarmee een enorme uitdaging regelbare antennes te ontwikkelen in het infrarood- en zichtbare gebied”, zegt Denis Baranov, promovendus aan het Moskouse instituut. “We kunnen nu informatie via vezeltechniek overbrengen met snelheden van honderden gigabits per seconde. Siliciumelektronica kan niks met die informatie bij die snelheid. Niet-lineaire nanoantennes zouden dat probleem kunnen oplossen en een volledig optisch informatieverwerkingssysteem mogelijk maken.”
Om hun gelijk te bewijzen gebruikten de onderzoekers diëlektrische nanoantennes. In wat gewonere mensentaal gaat het dan om siliciumbolletjes die meetrillen (resoneren) met de lichtfrekwentie. Bij welke frekwentie is afhankelijk van de grootte van het bolletje.
Zo heb je de magnetische dipoolresonantie. Invallend licht van een bepaalde frekwentie veroorzaakt een elektrische stroompje in het bolletje. Om dat silicium een hoge brekingsindex heeft vertonen deeltjes van 100 nm al magnetische dipoolresonantie bij zichtbaar licht. Dat konden de onderzoekers gebruiken.
Optische eigenschappen
Silicium is een halfgeleider. De elektrische en kennelijk daarmee ook de optische eigenschappen (ik ben een leek op alle terreinen) zijn te veranderen door met een laser zeer korte, intense lichtpulsjes op het bolletje af te schieten. We praten dan over lichtstootjes van 100 femtoseconden (10⁻¹³ s). Die hevige pulsjes zorgen ervoor dat elektronen worden aangeslagen (in een hoger energieniveau terechtkomen) en daardoor veranderen de optische eigenschappen van het silicium aanzienlijk. Nu wordt het ingestraalde licht terugverstrooid. Zo kun je je nanoantenne sturen.
Om er zeker van te zijn dat de nanoantennes (de siliciumbolletjes dus) in staat zijn om ook razensnel te schakelen, voerden de onderzoekers een aantal proeven uit met de femtopulslaser. Daaruit leerden ze dat de doorzichtigheid (transmissiefactor) binnen 100 fs een paar procenten verandert en dan weer terugvalt naar zijn oorspronkelijke waarde.
Op basis van die experimentele resultaten ontwikkelden de onderzoekers een analytisch model, dat de niet-lineaire dynamica beschrijft van de nanoantenne (= siliciumbolletje). Volgens dat model vindt er in zeer korte tijd een radicale verandering van het vertrooiingsdiagram plaats, namelijk binnen die 100 fs. Dat alles wettigt de voorspelling voor een informatiesnelheid van 250 gigabits/s, waar siliciumelektronica ‘niet verder’ komt dan enkele tientallen Gbits/s.
Hiermee zou de natuurkundige basis zijn gelegd voor de lichtcomputer. De onderzoekers blijven er voorlopig nog wel aan sleutelen. “We hopen en verwachten dat we in staat zullen zijn uittreerichting van het licht zeer snel met een bepaalde hoek te veranderen”, zegt Sergei Makarov van de ITMO-universiteit.
Bron: Science Daily