211service.com
Första lättdrivna nanomaskinen
Sedan 1980-talet har forskare använt lasrar för att stoppa molekylära vibrationer, så att molekylerna kan observeras i sin naturliga miljö. Nu har forskare vid Yale University använt samma typ av optisk kraft i nanoskala för att styra en integrerad krets. Deras enhet kan utgöra grunden för snabba optiska kretsar med låg effekt, precis som transistorer är byggstenarna i dagens elektroniska kretsar. Den nya enheten, en ljusdriven nanoresonator, skulle också kunna användas som en extremt känslig kemikaliedetektor. Verket är ett viktigt landmärke när det gäller att förena mekaniska och optiska krafter på nanoskala.
Fotonkraft: Denna fotoniska krets inkluderar en ny ljusdriven nanomekanisk resonator. På bilden i den infällda scanning-elektron-mikroskopbilden svänger denna kiselstråle i nanoskala när laserljus lyser på den, och modulerar ljussignalen som transporteras genom kretsen.
Chips som använder ljus istället för elektroner för att överföra data bör vara snabbare och förbruka mindre ström än traditionella integrerade kretsar. Men hittills har även de snabbaste optiska chipsen inkorporerat elektriska element som kallas modulatorer. Dessa modulatorer kodar ljus med data genom att omvandla signalen från ljus till elektroner och tillbaka igen. Detta extra steg gör optiska chips komplexa och drar ur kraften. En krets som utvecklats av Yale-forskare under ledning av professor i elektroteknik Hong Tang innehåller en modulator som drivs av ljus, inte elektroner.
Yale-gruppen började sitt arbete med att skapa ett optiskt kiselchip. För att göra modulatorn etsade de en liten del av vågledaren, den tunna kiselväg längs vilken fotonerna färdas, till en 500 nanometer bred stapel. Denna kiselstråle, som är upphängd från chipets yta så att den kan böjas, har två funktioner. Den både bär den optiska signalen och modulerar den. Tang och hans kollegor skickade en ljussignal genom den integrerade kretsen och lyste sedan laserljus på den nanooptiska modulatorn, vilket fick den att svänga upp och ner. Dessa oscillationer modulerar hastigheten på ljuset som färdas genom strålen.
Yale-teamet är det första att demonstrera förekomsten av denna optiska kraft på en integrerad krets – och de första att utnyttja den för att göra en fungerande enhet. Ljuskraften kan användas på riktigt, säger Tang. Hans grupp har också visat att den kan göra uppsättningar av hundratals fungerande resonatorer på ett enda chip.
Optisk pincett har varit mycket användbar för att manipulera fritt svävande nanoskaliga objekt i lösning, men de är mycket komplexa och kräver en högeffektlaser och en hel bänkskiva. Även om det fortfarande kräver input från en laser som ännu inte är integrerad på chipet, är Yale-inställningen enklare än den som krävs för optisk pincett.
Beskrivs i journalen Natur , representerar Yale-kretsen ett tekniskt genombrott, säger professor i maskinteknik vid Columbia University James Hone . Det öppnar upp ett nytt sätt att göra opto-mekaniska switchar som kan dirigera om en optisk signal med en annan. Hone säger att sådana enheter kan vara byggstenarna i optiska kretsar. Adam Cohen , en professor i kemi, kemisk biologi och fysik vid Harvard, håller med – så länge som att göra dessa enheter visar sig vara kompatibla med standardhalvledarbearbetning. Det traditionella tillvägagångssättet, som innebär att konvertera den optiska signalen till en elektrisk och tillbaka igen, saktar ner saker och ting och är mer komplicerat, säger Cohen.
Eftersom strålens mekaniska svängning förändrar hur ljus strömmar genom den på ett mätbart sätt, kan strålarna utvecklas till mycket känsliga kemiska sensorer, säger Hone. Yale-gruppen har inte demonstrerat en kemisk sensor. I teorin kan dock uppsättningar av kiseloscillatorer på chip dekoreras med antikroppar som binder blodproteiner som är karakteristiska för sjukdomar som cancer. Om ett blodprov placerat på chipet innehöll en liten mängd av proteinet, skulle det binda till kiselstrålen, ändra frekvensen av dess svängningar - och därigenom orsaka en mätbar förändring i ljusets hastighet som transporteras genom den. Andra sensorer i nanoskala fungerar på en liknande princip, och tar upp skillnader i flödet av elektrisk ström genom oscillerande kiselstrålar eller kolnanorör när de binder till intressanta molekyler. Optiska resonatorer kan vara ännu känsligare, säger Hone, eftersom optiska enheter beter sig bättre och ger tydligare signaler än elektriska enheter.
Sådana applikationer är dock många år bort. Enheten är fortfarande i mycket tidig utveckling i Tangs labb, där hans grupp förfinar dess mekaniska egenskaper.