211service.com
Første letdrevne nanomaskine
Siden 1980'erne har forskere brugt lasere til at stoppe molekylære vibrationer, så molekylerne kan observeres i deres naturlige miljø. Nu har forskere ved Yale University brugt den samme slags optiske kraft i nanoskala til at styre et integreret kredsløb. Deres enhed kunne danne grundlag for hurtige optiske chips med lav effekt, ligesom transistorer er byggestenene i nutidens elektroniske kredsløb. Den nye enhed, en lysdrevet nanoresonator, kunne også bruges som en ekstremt følsom kemikaliedetektor. Værket er et vigtigt vartegn i at forene mekaniske og optiske kræfter på nanoskala.
Fotonstyrke: Dette fotoniske kredsløb inkluderer en ny lysdrevet nanomekanisk resonator. Afbildet i det indsatte scanning-elektron-mikroskop-billede, svinger denne siliciumstråle i nanoskala, når laserlys skinner på den, og modulerer lyssignalet, der føres gennem kredsløbet.
Chips, der bruger lys i stedet for elektroner til at transportere data, bør være hurtigere og forbruge mindre strøm end traditionelle integrerede kredsløb. Men indtil videre har selv de hurtigste optiske chips inkorporeret elektriske elementer kaldet modulatorer. Disse modulatorer koder lys med data ved at konvertere signalet fra lys til elektroner og tilbage igen. Dette ekstra trin gør optiske chips komplekse og dræner strøm. Et kredsløb udviklet af Yale-forskere ledet af professor i elektroteknik Hong Tang inkorporerer en modulator, der er drevet af lys, ikke elektroner.
Yale-gruppen begyndte sit arbejde med at skabe en optisk siliciumchip. For at lave modulatoren ætsede de en lille del af bølgelederen, den tynde siliciumvej, som fotonerne bevæger sig langs, til en 500 nanometer bred stang. Denne siliciumstråle, som er ophængt fra chippens overflade, så den kan bøje, har to funktioner. Det både bærer det optiske signal og modulerer det. Tang og hans kolleger sendte et lyssignal gennem det integrerede kredsløb, og skinnede derefter laserlys på den nano-optiske modulator, hvilket fik den til at oscillere op og ned. Disse oscillationer modulerer hastigheden af lyset, der rejser gennem strålen.
Yale-teamet er det første til at demonstrere eksistensen af denne optiske kraft på et integreret kredsløb - og det første til at udnytte det til at lave en fungerende enhed. Lyskraften kan virkelig bruges, siger Tang. Hans gruppe har også vist, at den kan lave arrays af hundredvis af fungerende resonatorer på en enkelt chip.
Optisk pincet har været meget nyttig til at manipulere frit svævende nanoskalaobjekter i opløsning, men de er meget komplekse og kræver en højeffektlaser og en hel bordplade. Selvom det stadig kræver input fra en laser, der endnu ikke er integreret på chippen, er Yale-opsætningen enklere end den, der kræves til en optisk pincet.
Beskrevet i journalen Natur , repræsenterer Yale-kredsløbet et teknisk gennembrud, siger professor i mekanisk ingeniør ved Columbia University James Hone . Det åbner op for en ny måde at lave opto-mekaniske switche, der kan omdirigere et optisk signal ved hjælp af et andet. Hone siger, at sådanne enheder kunne være byggestenene i optiske kredsløb. Adam Cohen , en professor i kemi, kemisk biologi og fysik ved Harvard, er enig - så længe det at lave disse enheder viser sig at være kompatible med standard halvlederbehandling. Den traditionelle tilgang, som involverer at konvertere det optiske signal til et elektrisk og tilbage igen, bremser tingene ned og er mere kompliceret, siger Cohen.
Fordi strålens mekaniske oscillation ændrer den måde, lyset strømmer igennem den på en målbar måde, kan strålerne udvikles til meget følsomme kemiske sensorer, siger Hone. Yale-gruppen har ikke demonstreret en kemisk sensor. I teorien kunne rækker af siliciumoscillatorer på chip imidlertid dekoreres med antistoffer, der binder blodproteiner, der er karakteristiske for sygdomme som kræft. Hvis en blodprøve placeret på chippen indeholdt en lille mængde af proteinet, ville den binde sig til siliciumstrålen, ændre frekvensen af dens oscillationer - og derved forårsage en målbar ændring i lysets hastighed, der føres igennem den. Andre sensorer i nanoskala arbejder efter et lignende princip og opfanger forskelle i strømmen af elektrisk strøm gennem oscillerende siliciumstråler eller kulstofnanorør, når de binder sig til molekyler af interesse. Optiske resonatorer kan være endnu mere følsomme, siger Hone, fordi optiske enheder opfører sig bedre og giver klarere signaler, end elektriske enheder gør.
Sådanne ansøgninger er dog mange år væk. Enheden er stadig i meget tidlig udvikling i Tangs laboratorium, hvor hans gruppe forfiner dens mekaniske egenskaber.