211service.com
Den mindste laser nogensinde lavet
Forskere har demonstreret den mindste laser nogensinde, bestående af en nanopartikel kun 44 nanometer på tværs. Enheden kaldes en spaser, fordi den genererer en form for stråling kaldet overfladeplasmoner. Teknikken tillader lyset at blive indespærret i meget små rum, og nogle fysikere mener, at spasere kan danne grundlag for fremtidige optiske computere, ligesom transistorer er grundlaget for nutidens elektronik.
Lille laser: Denne simulering viser intensiteten af lys omkring en ny type laser, kaldet en spaser, når den opererer i en plasmonproducerende tilstand. Koncentrationen af plasmoner er mest intens ved guldkuglen, der udgør dens kerne. Den indre sorte cirkel angiver placeringen af kuglen, som er belagt med en farvestofindlejret silicaskal, markeret med den ydre sorte linje.
Mens den bedste forbrugerelektronik fungerer ved hastigheder på omkring 10 gigahertz, Mikhail Noginov , professor i fysik i Center for Materials Research ved Norfolk State University i Norfolk, VA, bemærker, at optiske enheder kan fungere ved hundredvis af terahertz. Optiske enheder er imidlertid svære at miniaturisere, fordi fotoner ikke kan begrænses til områder, der er meget mindre end halvdelen af deres bølgelængde. Men enheder, der interagerer med lys i form af overfladeplasmoner, kan begrænse det inden for meget strammere pletter.
Der er i øjeblikket en stor indsats, for det meste teoretisk, for at designe en ny generation af nanoelektronik baseret på plasmonics, siger Noginov. I modsætning til andre tidligere plasmoniske enheder er spasere et aktivt element, der kan producere og forstærke disse bølger. Noginov var med til at lede udviklingen af den nye spaser med Ulrich Wiesner fra Cornell University og Vladimir Shalaev og Evgenii Narimanov fra Purdue University. Arbejdet er beskrevet i dag i journalen Natur .
Spaseren lavet af Noginov og hans samarbejdspartnere består af en enkelt nanopartikel på kun 44 nanometer i diameter, med forskellige dele, der udfører funktioner analoge med dem i en konventionel laser. I en normal laser hopper fotoner mellem to spejle gennem et forstærkningsmedium, der forstærker lyset. Lyset i en spaser hopper rundt på overfladen af en guldkugle i nanopartiklernes kerne i form af plasmoner.
Udfordringen, siger Noginov, er at sikre, at denne energi ikke forsvinder hurtigt fra metaloverfladen. Hans team opnåede dette ved at belægge guldet med et lag silica indlejret med farvestof. Dette lag fungerer som et forstærkningsmedium. Lys fra spaseren kan forblive indespærret som plasmoner, eller det kan bringes til at forlade partikeloverfladen som fotoner i området for synligt lys. Som en laser skal spaseren pumpes for at levere den nødvendige energi. Noginovs gruppe opnår dette ved at bombardere partiklen med lysimpulser.
Størrelsen af en konventionel laser er dikteret af bølgelængden af det lys, den bruger, og afstanden mellem de reflekterende overflader kan ikke være mindre end halvdelen af lysets bølgelængde - i tilfælde af synligt lys, omkring 200 nanometer. Skønheden ved spaseren er, at den kommer uden om denne begrænsning ved at bruge plasmoner, siger Noginov. Spasere kunne formentlig laves så små som en nanometer. Noget mindre end det, forklarer Noginov, og nanopartiklernes funktionalitet bryder sammen.
Noginov og hans samarbejdspartnere er ikke de første til at lave en nanolaser. Denne juli har forskere ledet af Cun-Zheng Ning , professor i elektroteknik ved Arizona State University, og Martin Hill fra Eindhoven University i Holland skabte en nanolaser på omkring 100 nanometer bred ved hjælp af forskellige materialer. Ning og Hills nanolaser var den første til at overvinde bølgelængdebegrænsningerne på størrelsen af lasere. Værket offentliggjort i dag er dog det første eksempel på en spaser.
Spaseren virker omkring tusind gange hurtigere end den hurtigste transistor, mens den har samme størrelse på nanoskala, siger Mark Stockman , professor i fysik ved Georgia State University. Dette åbner mulighed for at bygge ultrahurtige forstærkere, logiske elementer og mikroprocessorer, der arbejder omkring tusind gange hurtigere end konventionelle siliciumbaserede mikroprocessorer.
Stockman forudsagde phaser i 2003 med David Bergman , professor i fysik ved Tel Aviv Universitet i Israel. Skabelsen af spaseren, siger Bergman, er et smukt stykke arbejde.
Spasere vil sandsynligvis finde deres første anvendelse ikke i optisk databehandling, men på steder, hvor der bruges konventionelle lasere i dag, siger Noginov. Faktisk er en mere kortsigtet anvendelse i den magnetiske datalagringsindustri, siger Sakhrat Khizroev , professor i elektroteknik ved University of California, Riverside, som også udvikler nanolasere. De magnetiske datalagringsmedier, der bruges til nutidens harddiske, er ved at nå deres fysiske grænser; en måde at udvide dets muligheder på er at opvarme mediet med meget små lyspletter under optagelse, hvilket kunne gøres med nanolasere, siger Khizroev. Men forskerne advarer om, at enhver ansøgning sandsynligvis er år væk.