211service.com
Eerste door licht aangedreven nanomachine
Sinds de jaren tachtig gebruiken onderzoekers lasers om moleculaire trillingen te stoppen, zodat de moleculen in hun natuurlijke omgeving kunnen worden waargenomen. Nu hebben onderzoekers van de Yale University dezelfde soort optische kracht op nanoschaal gebruikt om een geïntegreerd circuit te besturen. Hun apparaat zou de basis kunnen vormen van snelle, energiezuinige optische chips, net zoals transistors de bouwstenen zijn van de hedendaagse elektronische schakelingen. Het nieuwe apparaat, een door licht aangedreven nanoresonator, zou ook kunnen worden gebruikt als een extreem gevoelige chemische detector. Het werk is een belangrijke mijlpaal in het verenigen van mechanische en optische krachten op nanoschaal.
Foton vermogen: Dit fotonische circuit bevat een nieuwe door licht aangedreven nanomechanische resonator. Afgebeeld in het ingevoegde scanning-elektronenmicroscoopbeeld, oscilleert deze siliciumstraal op nanoschaal wanneer er laserlicht op schijnt, en moduleert het lichtsignaal dat door het circuit wordt gedragen.
Chips die licht gebruiken in plaats van elektronen om gegevens te vervoeren, moeten sneller zijn en minder stroom verbruiken dan traditionele geïntegreerde schakelingen. Maar tot nu toe bevatten zelfs de snelste optische chips elektrische elementen die modulatoren worden genoemd. Deze modulatoren coderen licht met data door het signaal van licht om te zetten in elektronen en weer terug. Deze extra stap maakt optische chips complex en verbruikt veel stroom. Een circuit ontwikkeld door Yale-onderzoekers onder leiding van professor elektrotechniek Hong Tang bevat een modulator die wordt aangedreven door licht, niet door elektronen.
De Yale-groep begon zijn werk met het maken van een optische siliciumchip. Om de modulator te maken, etsten ze een klein deel van de golfgeleider, de dunne siliciumweg waarlangs de fotonen reizen, in een 500 nanometer brede balk. Deze siliciumstraal, die aan het oppervlak van de chip hangt zodat hij kan buigen, heeft twee functies. Het draagt zowel het optische signaal als het moduleert. Tang en zijn collega's stuurden een lichtsignaal door het geïntegreerde circuit en schenen vervolgens laserlicht op de nano-optische modulator, waardoor het op en neer oscilleerde. Deze oscillaties moduleren de snelheid van het licht dat door de bundel gaat.
Het Yale-team is de eerste die het bestaan van deze optische kracht op een geïntegreerde schakeling aantoont - en de eerste die deze exploiteert om een werkend apparaat te maken. De lichtkracht kan echt worden gebruikt, zegt Tang. Zijn groep heeft ook aangetoond dat het arrays van honderden werkende resonatoren op een enkele chip kan maken.
Optische pincetten zijn erg handig geweest voor het manipuleren van vrij zwevende objecten op nanoschaal in oplossing, maar ze zijn erg complex en vereisen een krachtige laser en een hele werkbank. Hoewel er nog steeds input nodig is van een laser die nog niet op de chip is geïntegreerd, is de installatie van Yale eenvoudiger dan die voor een optische pincet.
Beschreven in het journaal Natuur , het Yale-circuit vertegenwoordigt een technische doorbraak, zegt professor werktuigbouwkunde aan de Columbia University James Hone . Het opent een nieuwe manier om opto-mechanische schakelaars te maken die het ene optisch signaal kunnen omleiden met het andere. Hone zegt dat dergelijke apparaten de bouwstenen van optische circuits kunnen zijn. Adam Cohen , een professor in scheikunde, chemische biologie en natuurkunde aan Harvard, is het daarmee eens - zolang het maken van deze apparaten compatibel is met standaard halfgeleiderverwerking. De traditionele aanpak, waarbij het optische signaal wordt omgezet in een elektrisch signaal en weer terug, vertraagt de zaken en is gecompliceerder, zegt Cohen.
Omdat de mechanische oscillatie van de straal de manier waarop licht erdoorheen stroomt op een meetbare manier verandert, kunnen de stralen worden ontwikkeld tot zeer gevoelige chemische sensoren, zegt Hone. De Yale-groep heeft geen chemische sensor gedemonstreerd. In theorie zouden arrays van de on-chip siliciumoscillatoren echter kunnen worden versierd met antilichamen die bloedeiwitten binden die kenmerkend zijn voor ziekten zoals kanker. Als een bloedmonster op de chip een kleine hoeveelheid van het eiwit zou bevatten, zou het zich binden aan de siliciumstraal, waardoor de frequentie van zijn oscillaties verandert - en daardoor een meetbare verandering in de snelheid van het licht dat erdoorheen wordt gedragen zou veroorzaken. Andere sensoren op nanoschaal werken volgens een soortgelijk principe en pikken verschillen op in de stroom van elektrische stroom door oscillerende siliciumstralen of koolstofnanobuisjes wanneer ze zich binden aan moleculen van belang. Optische resonatoren zijn mogelijk nog gevoeliger, zegt Hone, omdat optische apparaten zich beter gedragen en duidelijkere signalen geven dan elektrische apparaten.
Dergelijke toepassingen zijn echter nog vele jaren verwijderd. Het apparaat bevindt zich nog in een zeer vroege ontwikkeling in het laboratorium van Tang, waar zijn groep de mechanische eigenschappen verfijnt.