211service.com
Den minsta lasern som någonsin gjorts
Forskare har visat den minsta lasern någonsin, bestående av en nanopartikel bara 44 nanometer tvärs över. Enheten kallas en spaser eftersom den genererar en form av strålning som kallas ytplasmoner. Tekniken tillåter ljus att begränsas i mycket små utrymmen, och vissa fysiker tror att spasers kan utgöra grunden för framtida optiska datorer precis som transistorer är grunden för dagens elektronik.
Liten laser: Denna simulering visar ljusintensiteten runt en ny typ av laser, kallad spaser, när den arbetar i ett plasmonproducerande läge. Koncentrationen av plasmoner är mest intensiv vid guldsfären som utgör dess kärna. Den inre svarta cirkeln indikerar placeringen av sfären, som är belagd med ett färgämnesinbäddat kiseldioxidskal, markerat av den yttre svarta linjen.
Medan den bästa hemelektroniken fungerar med hastigheter på cirka 10 gigahertz, Mikhail Noginov , professor i fysik vid Center for Materials Research vid Norfolk State University i Norfolk, VA, noterar att optiska enheter kan arbeta med hundratals terahertz. Optiska enheter är dock svåra att miniatyrisera eftersom fotoner inte kan begränsas till områden mycket mindre än halva deras våglängd. Men enheter som interagerar med ljus i form av ytplasmoner kan begränsa det inom mycket snävare ställen.
Det finns för närvarande en stor ansträngning, mestadels teoretisk, för att designa en ny generation av nanoelektronik baserad på plasmonik, säger Noginov. Till skillnad från andra tidigare plasmoniska enheter är spasers ett aktivt element som kan producera och förstärka dessa vågor. Noginov ledde utvecklingen av den nya spasern med Ulrich Wiesner vid Cornell University och Vladimir Shalaev och Evgenii Narimanov vid Purdue University. Arbetet beskrivs idag i tidskriften Natur .
Spasern tillverkad av Noginov och hans medarbetare består av en enda nanopartikel bara 44 nanometer i diameter, med olika delar som utför funktioner analoga med dem i en konventionell laser. I en normal laser studsar fotoner mellan två speglar genom ett förstärkningsmedium som förstärker ljuset. Ljuset i en spaser studsar runt på ytan av en guldsfär i nanopartikelns kärna i form av plasmoner.
Utmaningen, säger Noginov, är att se till att denna energi inte försvinner snabbt från metallytan. Hans team åstadkom detta genom att belägga guldet med ett lager av kiseldioxid inbäddat med färgämne. Detta lager fungerar som ett förstärkningsmedium. Ljus från spasern kan förbli instängt som plasmoner eller så kan det fås att lämna partikelytan som fotoner i området för synligt ljus. Som en laser måste spasern pumpas för att leverera den nödvändiga energin. Noginovs grupp åstadkommer detta genom att bombardera partikeln med ljuspulser.
Storleken på en konventionell laser dikteras av våglängden på ljuset den använder, och avståndet mellan de reflekterande ytorna kan inte vara mindre än halva ljusets våglängd - i fallet med synligt ljus, cirka 200 nanometer. Det fina med spasern är att den kommer runt denna begränsning genom att använda plasmons, säger Noginov. Spasers skulle förmodligen kunna göras så små som en nanometer. Något mindre än så, förklarar Noginov, och nanopartiklarnas funktion går sönder.
Noginov och hans medarbetare är inte de första som tillverkar en nanolaser. I juli har forskare under ledning av Cun-Zheng Ning , professor i elektroteknik vid Arizona State University, och Martin Hill vid Eindhoven University i Nederländerna skapade en nanolaser som var cirka 100 nanometer bred med olika material. Ning och Hills nanolaser var den första att övervinna våglängdsbegränsningarna för storleken på lasrar. Verket som publiceras idag är dock det första exemplet på en spaser.
Spasern fungerar ungefär tusen gånger snabbare än den snabbaste transistorn, samtidigt som den har samma storlek i nanoskala, säger Mark Stockman , professor i fysik vid Georgia State University. Detta öppnar för möjligheten att bygga ultrasnabba förstärkare, logiska element och mikroprocessorer som fungerar ungefär tusen gånger snabbare än konventionella kiselbaserade mikroprocessorer.
Stockman förutspådde phasern 2003 med David Bergman , professor i fysik vid Tel Aviv University i Israel. Skapandet av spasern, säger Bergman, är ett vackert verk.
Spasers kommer sannolikt att hitta sin första tillämpning inte inom optisk datoranvändning utan på platser där konventionella lasrar används idag, säger Noginov. Faktum är att en mer kortsiktig tillämpning är i industrin för magnetisk datalagring, säger Sakhrat Khizroev , professor i elektroteknik vid University of California, Riverside, som också utvecklar nanolasrar. De magnetiska datalagringsmedia som används för dagens hårddiskar når sina fysiska gränser; ett sätt att utöka dess kapacitet är att värma media med mycket små ljusfläckar under inspelning, vilket skulle kunna göras med nanolaser, säger Khizroev. Men forskarna varnar, alla ansökningar är förmodligen år borta.