Het benutten van door licht aangedreven elektrische stromen op nanoschaal om opkomende technologieën voort te stuwen

Traditionele micro-elektronische architecturen, met transistors om elektrische stromen langs draden te regelen, voeden alles, van geavanceerde computers tot alledaagse apparaten.

Maar nu de geïntegreerde schakelingen afnemende rendementen bieden in termen van snelheid en aanpassingsvermogen, ontwikkelen wetenschappers van het Los Alamos National Laboratory op licht gebaseerde systemen op nanometerschaal die doorbraken zouden kunnen opleveren voor ultrasnelle micro-elektronica, infrarooddetectie bij kamertemperatuur (bijvoorbeeld nachtzicht) en een breed scala aan technologische toepassingen.

“De meeste moderne technologieën, van computers tot toepassingen zoals het oogsten van energie, zijn gebouwd op het vermogen om elektronen rond te duwen”, zegt Jacob Pettine, natuurkundige uit Los Alamos bij het Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). “Maar de manier waarop we deze ladingsstroom controleren blijft zeer beperkt door conventionele materialen en structuren.”

Nanoantennes vangen en focussen licht

Zoals beschreven in een artikel zojuist gepubliceerd in Natuur, ontwierp en vervaardigde het onderzoeksteam asymmetrische goudstructuren van nanoformaat op een atomair dunne laag grafeen. De goudstructuren worden ‘nanoantennes’ genoemd, gebaseerd op de manier waarop ze lichtgolven opvangen en focusseren, waardoor optische ‘hotspots’ worden gevormd die de elektronen in het grafeen exciteren. Alleen de grafeenelektronen vlakbij de hotspots zijn opgewonden, terwijl de rest van het grafeen veel minder opgewonden blijft.

Het onderzoeksteam heeft een druppelvorm van gouden nanoantennes aangenomen, waarbij het breken van de inversiesymmetrie een directionaliteit langs de structuur definieert. De hotspots bevinden zich alleen aan de scherpe punten van de nanoantennes, wat leidt naar een pad waarlangs de aangeslagen hete elektronen stromen met netto directionaliteit: een laadstroom die op nanometerschaal regelbaar en afstembaar is door verschillende combinaties van hotspots op te wekken.

“Deze metasurfaces bieden een gemakkelijke manier om de amplitude, locatie en richting van hotspots en laadstroom op nanoschaal te controleren met een responssnelheid sneller dan een picoseconde”, zegt Hou-Tong Chen, een wetenschapper bij CINT die toezicht houdt op het onderzoek. “Je kunt dan nadenken over meer gedetailleerde functionaliteiten.”

Veelbelovende toepassingen voor regelbare, afstembare laadstroom

De conceptuele demonstratie in deze opto-elektronische metasurfaces heeft een aantal veelbelovende toepassingen. De gegenereerde laadstroom kan op natuurlijke wijze worden gebruikt als signaal voor fotodetectie, wat vooral belangrijk is in het infraroodgebied met lange golflengte. Het systeem kan dienen als een bron van terahertzstraling, wat nuttig is in een reeks toepassingen, van ultrasnelle draadloze communicatie tot spectroscopiekarakterisering van materialen. Het systeem zou ook nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor het beheersen van nanomagnetisme, waarbij de gespecialiseerde stromen kunnen worden ontworpen voor aanpasbare magnetische velden op nanoschaal.

De nieuwe mogelijkheid kan ook belangrijk blijken voor ultrasnelle informatieverwerking, inclusief berekeningen en micro-elektronica. De mogelijkheid om de laserpulsen en metasurfaces te gebruiken voor adaptieve circuits zou de ontwikkeling van langzamere en minder veelzijdige op transistors gebaseerde computer- en elektronica-architecturen mogelijk kunnen maken. In tegenstelling tot conventionele circuits kunnen adaptieve gestructureerde lichtvelden compleet nieuwe ontwerpmogelijkheden bieden.

“Deze resultaten leggen de basis voor veelzijdige patroonvorming en optische controle over stromen op nanoschaal”, aldus Pettine. “Samen met de waardevolle toepassingen in het laboratorium kunnen vectoriële metasurfaces vooruitgang op veel verschillende technologische gebieden mogelijk maken.”