H JQI Team του NIST « βρήκε την άκρη» για τη μεταφορά φωτονίων στο Πυρίτιο!
H JQI Team του NIST « βρήκε την άκρη» για τη μεταφορά φωτονίων στο Πυρίτιο!
Νέα από το NIST Τech Beat
Σε αυτή τη «ψευδώς» έγχρωμη σάρωση της εικόνας του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, απεικονίζεται με το βέλος το πώς διαρκεί η διαδρομή του φωτός ως το λυκίσκο μεταξύ των δακτυλίων πυριτίου κατά μήκος της άκρης του chip. Αυτό γίνεται με επιτυχία, αποφεύγοντας ελαττώματα – όπως συμβαίνει στην περίπτωση του χαμένου δαχτυλιδιού.Credit: NIST
Η νέα συσκευή πυριτίου, που έχτισαν τα μέλη μιας ερευνητικής ομάδας του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST) και του Maryland’s Joint Quantum Institute (JQI) «οδηγεί» τους επιστήμονες να βρουν την άκρη σε ένα δύσκολο πρόβλημα της κβαντικής φυσικής, το οποίο αφορά στην ροή των σωματιδίων του φωτός.
Η λύση που προτείνει η ερευνητική ομάδα θα μπορούσε να βοηθήσει τους σχεδιαστές ηλεκτρονικών υπολογιστών να χρησιμοποιήσουν το φως αντί για τον ηλεκτρισμό, ώστε να μεταφέρουν πληροφορίες στα κυκλώματα του υπολογιστή! Δυνητικά μπορεί η ανάπτυξη μιας τέτοιας τεχνολογίας να «οδηγήσει σε τεράστιες βελτιώσεις στην αποδοτικότητα!
Το κβαντικό φαινόμενο Hall παρατηρείται, όταν υφίσταται ένα μαγνητικό πεδίο κάθετο προς ένα επίπεδο καλώδιο, το οποίο έχει ηλεκτρόνια που ρέουν μέσα από αυτό.
Το πεδίο σπρώχνει τα ηλεκτρόνια επάνω στη μια πλευρά του σύρματος, έτσι η ροή αυτών συγκεντρώνεται κατά το μήκος της ακμής του.
Το κβαντικό φαινόμενο Hall αποτελεί ένα αρκετά «εξωτικό» κομμάτι της φυσικής, αλλά έχει ήδη εφαρμοστεί , ώστε να προκύψουν καλύτερα πρότυπα σχετικά με την ηλεκτρική αγωγιμότητα.
Το αποτέλεσμα, όμως, είναι δύσκολο να μελετηθεί, επειδή η μέτρηση απαιτεί πολύ αυστηρές συνθήκες εργαστηρίου, στις οποίες συμπεριλαμβάνονται οι εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και τα δείγματα εξαιρετικής καθαρότητας.
Η ερευνητική ομάδα έψαξε για βρει έναν τρόπο γύρω από αυτά τα θέματα, και το 2011 βρήκε ** μια πιθανή – αν και θεωρητική- απάντηση: Φτιάξτε ένα πρότυπο σύστημα στο οποίο τα σωματίδια του φωτός θα συμπεριφέρονται ακριβώς , όπως κάνουν τα ηλεκτρόνια, όταν υποβάλλονται στο κβαντικό φαινόμενο Hall.
«Γνωρίζαμε ότι η οικοδόμηση ενός ανάλογου συστήματος που χρησιμοποιεί φωτόνια, θα παρέχει επιπλέον πλεονεκτήματα», λέει ο φυσικός του NIST, Mohammad Hafezi.
«Το φως μπορεί να μεταφέρει πολύ περισσότερες πληροφορίες από την ηλεκτρική ενέργεια Θα μπορούσε –επίσης- να μας βοηθήσει να σχεδιάσουμε εξαρτήματα ηλεκτρονικών υπολογιστών που χρησιμοποιούν το φως», εξηγεί μεταξύ άλλων.
Τα μέλη της ερευνητικής ομάδας δοκίμασαν τη θεωρία τους, χτίζοντας μια σειρά από μικροσκοπικά- σχεδόν επίπεδα δαχτυλίδια πυριτίου στην κορυφή μίας επιφάνειας με άζωτο.
.Οι δακτύλιοι κάθονται περίπου 150 νανόμετρα ένας από τον άλλο, και σε απόσταση είναι αρκετά κοντά, ώστε ένα φωτόνιο σε ένα δαχτυλίδι να μπορεί να περάσει σε ένα παρακείμενο.
Στην περίπτωση που το δαχτυλίδι ελαττωματικό, τότε το φωτόνιο βρίσκει το δρόμο της επιστροφής προς την άκρη του πίνακα, απ’ όπου συνεχίζει να ταξιδεύει!
Έτσι, η νέα συσκευή μεταφέρει φωτόνια από το ένα μέρος στο άλλο, ακόμη και αν ορισμένα από τα δαχτυλίδια δεν λειτουργούν. Πρόκειται ένα «σημείο-κλειδί» για τους κατασκευαστές, οι οποίοι θα θέλουν συσκευές που θα λειτουργούν ακόμη και αν δεν είναι φυσικά άψογες.
Ο κ. Hafezi λέει ότι οι δακτύλιοι ενθαρρύνουν τα φωτόνια να ταξιδέψουν μόνο κατά μήκος της άκρης του πίνακα και αποκαλύπτει πως το «μυστικό» βρίσκεται στη διάταξη των δακτυλίων, που επιδρά περίεργα στα φωτόνια.
«Η θεωρία μας έδειξε ότι η τοπολογία του πίνακα δακτυλίου θα δημιουργήσει το αποτέλεσμα που θέλαμε, και το πείραμα μας το επιβεβαίωσε», αναφέρει ο κ. Hafezi και προσθέτει:
«Έχουμε τώρα μια ισχυρή συσκευή πυριτίου που μπορεί να μεταφέρει φωτόνια σε συνθήκες θερμοκρασίας δωματίου. Ελπίζουμε ότι θα αποδειχθεί χρήσιμη ως προς τις δύο θεμελιώδεις μελέτες της φυσικής, καθώς και την πρακτική συνιστώσα».
*M. Hafezi, S. Mittal, J. Fan, A. Migdall and J.M. Taylor. Imaging topological edge states in silicon photonics. Nature Photonics, doi:10.1038/nphoton.2013.274, Oct. 20, 2013.
**See the Aug. 30, 2011, Tech Beat story, “Better ‘Photon Loops’ May Be Key to Computer and Physics Advances,” at http://www.nist.gov/public_affairs/tech-beat/tb20110830.cfm#photon.
©Typologos.com 2013. Creditofphoto: NIST.
