Ingenieurs hebben een diëlektrische nanoresonator gebouwd die licht concentreert tot een volume dat twaalf keer zo groot is
Wat is de diffractielimiet?
Tot voor kort waren dat er onder natuurkundigen welEr wordt algemeen aangenomen dat het onmogelijk is om licht onder de zogenaamde diffractielimiet te comprimeren. Dit is de minimale vlekgrootte die kan worden verkregen door elektromagnetische straling te focusseren.
De uitzondering is het gebruik van metaalnanodeeltjes, die echter ook licht absorberen. Daarom leek het onmogelijk om het sterk te comprimeren in diëlektrische materialen zoals silicium. En dit is een belangrijk materiaal voor de ontwikkeling van toekomstige apparaten. Ze hebben één belangrijk voordeel: ze absorberen geen licht.
Interessant is dat wetenschappers in 2006 theoretisch warenbewezen dat de diffractielimiet niet van toepassing is op diëlektrica. Niemand heeft dit echter in de praktijk kunnen aantonen. De reden is simpel: ingenieurs waren niet in staat de noodzakelijke diëlektrische nanostructuur te bouwen.
Nu de medewerkers van de Technische UniversiteitDenemarken is erin geslaagd: ze hebben een diëlektrische nanoresonator gebouwd die licht concentreert in een volume dat twaalf keer kleiner is dan de diffractielimiet.
Wat hielp wetenschappers?
Diffractielimiettheorie beschrijft dat lichtonmogelijk om scherp te stellen in een volume kleiner dan de helft van de golflengte in het optische systeem. Dit heeft bijvoorbeeld invloed op de resolutie in microscopen. Nanostructuren kunnen echter bestaan uit elementen die veel kleiner zijn dan de golflengte. Dit betekent dat de diffractielimiet niet langer iets fundamenteels is.
Wanneer licht wordt gecomprimeerd, wordt het intenser, waardoor de interactie tussen licht en materialen wordt versterkt. Vooral diëlektrisch.
Wat zijn diëlektrische materialen?
Diëlektrica zijn materialen die niet geleidenelektrische stroom. Glas, rubber en plastic zijn voorbeelden van diëlektrische materialen en contrasteren met metalen, die elektrisch geleidend zijn. Een voorbeeld van een diëlektrisch materiaal is silicium, dat vaak wordt gebruikt in zowel de elektronica als de fotonica.
Wat is het probleem?
Hoewel computerberekeningen aantonen dat het mogelijk is om licht in een oneindig klein punt te concentreren, is dit alleen in theorie toepasbaar.
In de nieuwe studie gebruikten wetenschappersalle beschikbare kennis over echte fotonische nanotechnologie en de huidige beperkingen ervan en laadde deze in een computer. Vervolgens ‘vroegen’ ze hem om een patroon te vinden dat fotonen verzamelt in een ongekend klein gebied: een optische nanoholte. Het hielp. Het apparaat is gebouwd in een laboratorium aan dezelfde universiteit.
Diffractiepatroon van een rode laserstraal,gemaakt op een bord nadat het door een klein rond gaatje in een ander bord is gegaan. Fysische optica wordt gebruikt om effecten zoals diffractie te verklaren. Auteur: Wisky
Optische nanoholtes zijn structurenspeciaal ontworpen om licht vast te houden en te voorkomen dat het zich verspreidt. Het is alsof hij gevangen zit tussen twee spiegels en heen en weer wordt geslingerd. Hoe dichter de spiegels bij elkaar worden geplaatst, hoe intenser het licht ertussen wordt.
Waar is de nanoresonator van gemaakt en hoe?
Voor een nieuw experiment hebben natuurkundigen een structuur ontwikkeld in de vorm van een vlinder. Dankzij zijn speciale vorm comprimeert het fotonen bijzonder effectief. De nanoresonator zelf was gemaakt van silicium.
Het materiaal voor de nanoresonator is ontwikkeld in puregebouwen van de universiteit en de sjablonen waarop de holte is gebaseerd, zijn geoptimaliseerd en ontworpen met behulp van een unieke topologie-optimalisatiemethode.
Een schone kamer is een ruimte waar de luchtde grootte en het aantal per kubieke meter deeltjes zoals stof, micro-organismen, aerosoldeeltjes en chemische dampen worden binnen een bepaald vooraf bepaald bereik gehouden. Er zijn speciale internationale normen voor dergelijke gebouwen, hun netheid wordt verzekerd door speciale apparatuur.
Oorspronkelijk ontwikkeld voor het ontwerp van bruggen en vliegtuigvleugels, is de optimalisatiemethode gebruikt voor nanofotonische structuren.
Waarom is dit belangrijk?
De auteurs van de ontwikkeling hebben er vertrouwen in dat hun ontdekking dat heeft gedaancruciaal voor de ontwikkeling van revolutionaire technologieën die het aantal energieverbruikende componenten in datacenters, computers, telefoons en meer verminderen.
Energieverbruik van computers en centraDe gegevensverwerking blijft groeien en er is behoefte aan veerkrachtigere chiparchitecturen die minder stroom verbruiken. Dit kan worden bereikt door elektrische circuits te vervangen door optische componenten. Wetenschappers hopen dat een ‘arbeidsverdeling’ tussen licht en elektronen hierbij zal helpen. Alles lijkt op internet, waar licht wordt gebruikt voor communicatie en elektronica wordt gebruikt voor gegevensverwerking. Het enige verschil is dat beide functies in dezelfde chip moeten worden ingebouwd. Daarom is het zo belangrijk om licht te comprimeren tot dezelfde grootte als elektronische componenten. Uit een experiment van wetenschappers bleek dat dit inderdaad mogelijk is.
Dit is een belangrijke stap in de richting van verdere ontwikkelingenergiezuinige technologie, zoals nanolasers voor optische verbindingen in datacenters en toekomstige computers. Ingenieurs hebben echter nog een lange weg te gaan.
Wat is de volgende stap?
Wetenschappers zijn van plan verder te werkenen verbeter methoden en materialen om de optimale oplossing te vinden. Ze hebben er vertrouwen in dat ze steeds intensere fotonen kunnen creëren naarmate de technologie vordert. De auteurs van de ontwikkeling zijn ervan overtuigd dat dit slechts de eerste is van een reeks grote ontwikkelingen op het gebied van de natuurkunde en fotonische nanotechnologie die zich op dit principe richten.
Lees verder:
Archeologen hebben de legendes uit de Bijbel officieel bevestigd
Het bleek wat er met de cellen van het lichaam gebeurt als het hart sterft
Starlink-signaal gehackt om te worden gebruikt als alternatief voor GPS