211service.com
Pierwsza nanomaszyna napędzana światłem
Od lat 80. naukowcy stosują lasery do zatrzymywania drgań molekularnych, dzięki czemu cząsteczki można obserwować w ich naturalnym środowisku. Teraz naukowcy z Uniwersytetu Yale wykorzystali ten sam rodzaj siły optycznej w nanoskali do sterowania obwodem scalonym. Ich urządzenie mogłoby stanowić podstawę szybkich chipów optycznych o małej mocy, podobnie jak tranzystory są elementami składowymi dzisiejszych obwodów elektronicznych. Nowe urządzenie, nanorezonator zasilany światłem, może być również używany jako niezwykle czuły detektor chemiczny. Prace są ważnym punktem zwrotnym w łączeniu sił mechanicznych i optycznych w nanoskali.
Moc fotonów: Ten obwód fotoniczny zawiera nowy, sterowany światłem nanomechaniczny rezonator. Sfotografowana na wstawce ze skaningowego mikroskopu elektronowego ta nanoskalowa wiązka krzemu oscyluje, gdy pada na nią światło lasera, modulując sygnał świetlny przenoszony przez obwód.
Chipy, które do przenoszenia danych wykorzystują światło zamiast elektronów, powinny być szybsze i zużywać mniej energii niż tradycyjne układy scalone. Ale jak dotąd nawet najszybsze chipy optyczne zawierały elementy elektryczne zwane modulatorami. Te modulatory kodują światło z danymi, przekształcając sygnał ze światła na elektrony iz powrotem. Ten dodatkowy krok sprawia, że układy optyczne są skomplikowane i pochłaniają energię. Obwód opracowany przez naukowców z Yale kierowanych przez profesora elektrotechniki Hong Tang zawiera modulator napędzany światłem, a nie elektronami.
Grupa Yale rozpoczęła swoją pracę od stworzenia krzemowego układu optycznego. Aby stworzyć modulator, wytrawiono niewielką część falowodu, cienkiej krzemowej drogi, wzdłuż której przemieszczają się fotony, w pręt o szerokości 500 nanometrów. Ta krzemowa wiązka, która jest zawieszona na powierzchni chipa, aby mogła się zginać, spełnia dwie funkcje. Zarówno przenosi sygnał optyczny, jak i moduluje go. Tang i jego koledzy wysłali sygnał świetlny przez układ scalony, a następnie skierowali światło lasera na modulator nanooptyczny, powodując jego drgania w górę iw dół. Te oscylacje modulują prędkość światła przechodzącego przez wiązkę.
Zespół Yale jako pierwszy zademonstrował istnienie tej siły optycznej w układzie scalonym i jako pierwszy wykorzystał ją do stworzenia działającego urządzenia. Siłę światła można naprawdę wykorzystać, mówi Tang. Jego grupa wykazała również, że może tworzyć tablice setek działających rezonatorów na jednym chipie.
Pęsety optyczne są bardzo przydatne do manipulowania swobodnie pływającymi obiektami w nanoskali w roztworze, ale są bardzo złożone, wymagają lasera o dużej mocy i całego stołu. Chociaż nadal wymaga wejścia z lasera, który nie jest jeszcze zintegrowany z chipem, konfiguracja Yale jest prostsza niż ta wymagana w przypadku pęsety optycznej.
Opisane w czasopiśmie Natura , obwód Yale stanowi przełom techniczny, mówi profesor inżynierii mechanicznej z Columbia University James Hone . Otwiera nowy sposób tworzenia przełączników optomechanicznych, które mogą przekierowywać jeden sygnał optyczny za pomocą innego. Hone mówi, że takie urządzenia mogą być budulcem obwodów optycznych. Adam Cohen , profesor chemii, biologii chemicznej i fizyki na Harvardzie, zgadza się – o ile wytwarzanie tych urządzeń okaże się kompatybilne ze standardowym przetwarzaniem półprzewodników. Tradycyjne podejście, które polega na zamianie sygnału optycznego na elektryczny iz powrotem, spowalnia i jest bardziej skomplikowane, mówi Cohen.
Ponieważ mechaniczne oscylacje wiązki zmieniają sposób, w jaki przepływa przez nią światło w mierzalny sposób, wiązki można przekształcić w bardzo czułe czujniki chemiczne, mówi Hone. Grupa Yale nie zademonstrowała czujnika chemicznego. Teoretycznie jednak macierze wbudowanych oscylatorów krzemowych można by ozdobić przeciwciałami, które wiążą białka krwi charakterystyczne dla chorób takich jak rak. Gdyby próbka krwi umieszczona na chipie zawierała niewielką ilość białka, związałaby się ona z wiązką krzemu, zmieniając częstotliwość jej oscylacji – a tym samym powodując wymierną zmianę prędkości przechodzącego przez nią światła. Inne czujniki w nanoskali działają na podobnej zasadzie, wychwytując różnice w przepływie prądu elektrycznego przez oscylujące wiązki krzemu lub nanorurki węglowe, gdy łączą się z cząsteczkami będącymi przedmiotem zainteresowania. Rezonatory optyczne mogą być jeszcze bardziej czułe, mówi Hone, ponieważ urządzenia optyczne zachowują się lepiej, dając wyraźniejsze sygnały niż urządzenia elektryczne.
Jednak do takich zastosowań potrzeba jeszcze wielu lat. Urządzenie jest wciąż na bardzo wczesnym etapie rozwoju w laboratorium Tanga, gdzie jego grupa udoskonala jego właściwości mechaniczne.