Việc chuyển đổi dựa trên sự dịch chuyển điện áp gây ra một hoặc nhiều nguyên tử bạc trong khoảng cách hẹp giữa bạc và một đĩa bạch kim. (Minh họa: Alexandros Emboras / ETH Zurich)
Số lượng dữ liệu trao đổi qua mạng thông tin liên lạc trên toàn cầu đang tăng trưởng với tốc độ ngoạn mục. Khối lượng dữ liệu cho truyền thông không dây và điện thoại di động hiện đang tăng 23% và 57% tương ứng mỗi năm. Nó là không thể dự đoán khi nào tăng trưởng này sẽ kết thúc. Điều này cũng có nghĩa là tất cả các thành phần mạng liên tục phải được thực hiện hiệu quả hơn.
Các thành phần này bao gồm cái gọi là bộ điều biến, giúp chuyển đổi các thông tin đó là ban đầu có sẵn ở dạng điện thành tín hiệu quang. do đó điều biến là gì khác hơn là công tắc điện nhanh mà biến một tín hiệu laser trên hoặc tắt ở tần số của các tín hiệu điện đến. Điều biến được cài đặt trong các trung tâm dữ liệu trong hàng ngàn của họ. Tuy nhiên, tất cả họ đều có nhược điểm là khá lớn. Đo một vài cm trên, chúng chiếm rất nhiều không gian khi sử dụng với số lượng lớn.
Sáu tháng trước đây, một nhóm làm việc do Jürg Leuthold, Giáo sư Quang tử và Truyền thông đã thành công trong việc chứng minh rằng công nghệ này có thể được làm nhỏ hơn và tiết kiệm năng lượng. Là một phần của công việc đó, các nhà nghiên cứu đã trình bày một micromodulator đo chỉ 10 micromet trên - hoặc nhỏ hơn so với bộ điều biến 10.000 lần trong sử dụng thương mại (xem ETH Tin tức).
Leuthold và các đồng nghiệp đã lấy này để cấp độ tiếp theo bằng cách phát triển bộ điều biến quang nhỏ nhất thế giới. Và điều này có lẽ là nhỏ, vì nó có thể nhận được: các thành phần hoạt động ở mức độ nguyên tử riêng biệt. Do đó, các dấu chân đã được giảm hơn nữa bởi một yếu tố của 1000 nếu bạn bao gồm việc chuyển đổi cùng với sự hướng dẫn ánh sáng. Tuy nhiên, việc chuyển đổi chính nó là nhỏ hơn, với kích thước đo cấp độ nguyên tử. Phát triển mới nhất của nhóm nghiên cứu gần đây đã được trình bày trên tạp chí Nano Letters .
Trong thực tế, các bộ điều biến là nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng sử dụng trong hệ thống đáng kể. Trong viễn thông, tín hiệu quang được truyền sử dụng ánh sáng laser với bước sóng 1,55 micromet. Thông thường, một thiết bị quang học không thể nhỏ hơn bước sóng cần xử lý. "Cho đến gần đây, thậm chí tôi nghĩ rằng nó là không thể cho chúng ta cắt xén giới hạn này," Leuthold nhấn mạnh.
cấu trúc mới. Tham khảo thêm về các thiết bị điện dân dụng khác tại đây
Nhưng nhà khoa học cao cấp của ông Alexandros Emboras chứng minh các định luật quang sai bằng cách cấu hình lại thành công trong việc xây dựng một bộ điều biến. xây dựng Điều này làm cho nó có thể thâm nhập vào độ lớn của từng nguyên tử, mặc dù các nhà nghiên cứu đã sử dụng ánh sáng với một "bước sóng tiêu chuẩn".
Optischer Schalter
tấm nhỏ làm bằng bạc (ánh sáng màu xám) và bạch kim (bạc hà) được đặt trên một ống dẫn sóng quang (màu xanh). (Đồ họa: A. Emboras / ETH Zurich)
Thiết lập được sử dụng trong các phòng thí nghiệm để thử nghiệm loại mới thiết bị chuyển mạch.
Thiết lập được sử dụng trong các phòng thí nghiệm để thử nghiệm loại mới thiết bị chuyển mạch. (Ảnh: ETH Zurich / Peter RUEGG)
điều biến Emboras gồm có hai miếng nhỏ, một làm bằng bạc và một bạch kim, trên đầu trang của một ống dẫn sóng quang làm bằng silicon. Hai tấm lót được sắp xếp cùng với nhau ở khoảng cách chỉ vài nano mét, với một phình nhỏ trên bệ bạc nhô ra khoảng cách và gần như chạm vào pad đĩa bạch kim.
mạch nhờ ngắn để một nguyên tử bạc
Và đây là cách điều biến hoạt động: cách nhập ánh sáng từ một sợi quang học được hướng dẫn đến lối vào của khoảng cách của ống dẫn sóng quang học. Phía trên bề mặt kim loại, ánh sáng biến thành một plasmon bề mặt. Một plasmon xảy ra khi chuyển năng lượng ánh sáng để các electron trong nguyên tử lớp ngoài cùng của bề mặt kim loại, làm cho các electron dao động ở tần số của ánh sáng tới. Những dao động điện tử có đường kính nhỏ hơn nhiều so với tia của ánh sáng. Điều này cho phép họ nhập vào khoảng cách và đi qua các nút cổ chai. Ở phía bên kia của khoảng cách, các dao động điện tử có thể được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu quang.
Nếu một điện áp hiện nay được áp dụng cho các pad bạc, một nguyên tử bạc hay, nhiều nhất, một vài nguyên tử bạc di chuyển về phía chóp của điểm và vị trí của mình ở phần cuối của nó. Điều này tạo ra một mạch ngắn giữa các miếng bạc và bạch kim, vì vậy mà chảy dòng điện giữa chúng. Điều này đóng kẽ hở cho các plasmon; công tắc bật bức tranh và những thay đổi trạng thái từ "trên" để "tắt" hoặc ngược lại. Ngay sau khi điện áp giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định một lần nữa, một nguyên tử bạc di chuyển trở lại. Khoảng cách mở ra, chảy plasmon, và chuyển đổi là "trên" một lần nữa. Quá trình này có thể được lặp đi lặp lại hàng triệu lần.
ETH Giáo sư Mathieu Luisier, người tham gia vào nghiên cứu này, mô phỏng hệ thống bằng cách sử dụng một máy tính hiệu suất cao tại các CSCS tại Lugano. Điều này cho phép ông xác nhận rằng các mạch ngắn ở đầu mút của các điểm bạc được mang về bởi một nguyên tử.
Một tín hiệu kỹ thuật số thực sự
Như các plasmon không có lựa chọn nào khác ngoài việc đi qua các nút cổ chai hoặc là hoàn toàn hoặc không gì cả, điều này tạo ra một tín hiệu thực sự kỹ thuật số - một hoặc một số không. "Điều này cho phép chúng ta tạo ra một chuyển đổi kỹ thuật số, như với một bóng bán dẫn. Chúng tôi đã được tìm kiếm một giải pháp như thế này trong một thời gian dài, "Leuthold tóm tắt.
Như được nêu ra, bộ điều chế là chưa sẵn sàng cho sản xuất hàng loạt. Mặc dù nó có lợi thế hoạt động ở nhiệt độ phòng, không giống như các thiết bị khác mà làm việc sử dụng hiệu ứng lượng tử ở thứ tự này độ lớn, nó vẫn còn rất chậm cho một bộ điều biến: cho đến nay, nó chỉ hoạt động để chuyển đổi tần số trong phạm vi MHz hoặc thấp hơn. Các nhà nghiên cứu ETH muốn tinh chỉnh nó cho các tần số trong gigahertz đến phạm vi terahertz.
Cải thiện quá trình in thạch bản
Các nhà nghiên cứu cũng muốn nâng cao hơn nữa phương pháp in thạch bản, được tái phát triển bởi Emboras từ đầu để xây dựng các bộ phận, để các thành phần như thế này có thể được sản xuất đáng tin cậy trong tương lai. Hiện nay, chế tạo chỉ thành công ở một trong số sáu nỗ lực. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu xem xét việc này là một thành công, như quy trình in thạch bản trên quy mô nguyên tử vẫn lãnh thổ thám hiểm.
Để tiếp tục nghiên cứu của mình vào nanomodulator, Leuthold đã tăng cường đội ngũ của mình. Tuy nhiên, ông chỉ ra rằng các nguồn lực lớn hơn sẽ được yêu cầu để phát triển một giải pháp thương mại có sẵn. Mặc dù vậy, các giáo sư ETH là tự tin rằng ông và nhóm của ông sẽ có thể trình bày một giải pháp có thể thực hiện trong vòng vài năm tới.
Công tắc chuyển đổi ánh sáng với nguyên tử bạc
0 nhận xét:
Đăng nhận xét