211service.com
První nanostroj poháněný světlem
Od 80. let 20. století vědci používají lasery k zastavení molekulárních vibrací, aby bylo možné molekuly pozorovat v jejich přirozeném prostředí. Nyní vědci z Yale University použili stejný druh optické síly v nanoměřítku k ovládání integrovaného obvodu. Jejich zařízení by mohlo tvořit základ rychlých optických čipů s nízkou spotřebou, stejně jako jsou tranzistory stavebními kameny dnešních elektronických obvodů. Nové zařízení, nanorezonátor poháněný světlem, by také mohlo být použito jako extrémně citlivý chemický detektor. Práce je hlavním mezníkem při sjednocování mechanických a optických sil v nanoměřítku.
Výkon fotonů: Tento fotonický obvod obsahuje nový světlem řízený nanomechanický rezonátor. Tento paprsek křemíku v nanoměřítku, který je zobrazen na vloženém snímku ze skenovacího elektronového mikroskopu, osciluje, když na něj svítí laserové světlo, a moduluje světelný signál přenášený obvodem.
Čipy, které k přenosu dat využívají místo elektronů světlo, by měly být rychlejší a spotřebovávat méně energie než tradiční integrované obvody. Ale zatím i ty nejrychlejší optické čipy obsahují elektrické prvky zvané modulátory. Tyto modulátory kódují světlo s daty převodem signálu ze světla na elektrony a zpět. Tento další krok činí optické čipy složitými a spotřebovává energii. Obvod vyvinutý výzkumníky z Yale pod vedením profesora elektrotechniky Hong Tang obsahuje modulátor, který je poháněn světlem, nikoli elektrony.
Skupina Yale zahájila svou práci vytvořením křemíkového optického čipu. Aby modulátor vyrobili, vyleptali malou část vlnovodu, tenké křemíkové cesty, po které putují fotony, do pruhu o šířce 500 nanometrů. Tento křemíkový paprsek, který je zavěšen na povrchu čipu, aby se mohl ohýbat, má dvě funkce. Přenáší optický signál a moduluje jej. Tang a jeho kolegové vyslali světelný signál přes integrovaný obvod, poté svítili laserovým světlem na nanooptický modulátor, což způsobilo, že osciloval nahoru a dolů. Tyto oscilace modulují rychlost světla procházejícího paprskem.
Tým Yale je první, kdo prokázal existenci této optické síly na integrovaném obvodu – a první, kdo ji využil k vytvoření funkčního zařízení. Sílu světla lze skutečně využít, říká Tang. Jeho skupina také prokázala, že dokáže vytvořit pole stovek pracovních rezonátorů na jediném čipu.
Optické pinzety byly velmi užitečné pro manipulaci s volně plovoucími objekty v nanoměřítku v roztoku, ale jsou velmi složité a vyžadují vysoce výkonný laser a celou pracovní plochu. I když stále vyžaduje vstup z laseru, který ještě není integrován na čipu, nastavení Yale je jednodušší než u optických pinzet.
Popsáno v deníku Příroda , okruh Yale představuje technický průlom, říká profesor strojního inženýrství na Kolumbijské univerzitě James Hone . Otevírá nový způsob výroby opto-mechanických přepínačů, které mohou přesměrovat jeden optický signál pomocí druhého. Hone říká, že taková zařízení by mohla být stavebními kameny optických obvodů. Adam Cohen , profesor chemie, chemické biologie a fyziky na Harvardu, souhlasí – pokud výroba těchto zařízení prokáže kompatibilitu se standardním zpracováním polovodičů. Tradiční přístup, který zahrnuje přeměnu optického signálu na elektrický a zpět, věci zpomaluje a je komplikovanější, říká Cohen.
Protože mechanické kmitání paprsku mění způsob, jakým jím světlo proudí, měřitelným způsobem, mohly by být paprsky vyvinuty do velmi citlivých chemických senzorů, říká Hone. Skupina Yale nepředvedla chemický senzor. Teoreticky by však pole křemíkových oscilátorů na čipu mohla být ozdobena protilátkami, které vážou krevní proteiny charakteristické pro nemoci, jako je rakovina. Pokud by vzorek krve umístěný na čipu obsahoval malé množství proteinu, navázal by se na křemíkový paprsek, změnil by frekvenci jeho oscilací – a tím způsobil měřitelnou změnu rychlosti světla, které jím prochází. Na podobném principu fungují i další senzory v nanoměřítku, které zachycují rozdíly v toku elektrického proudu přes oscilující křemíkové paprsky nebo uhlíkové nanotrubice, když se navážou na molekuly zájmu. Optické rezonátory mohou být ještě citlivější, říká Hone, protože optická zařízení se chovají lépe a poskytují jasnější signály než elektrická zařízení.
Takové aplikace jsou však daleko za mnoho let. Zařízení je stále ve velmi raném vývoji v Tangově laboratoři, kde jeho skupina zdokonaluje jeho mechanické vlastnosti.