ENGINEERINGNET -- Deze prestatie kan volgens hen leiden tot een nieuwe generatie toepassingen in computers, communicatie en beeldvorming.
Omdat licht grotere hoeveelheden data efficiënter kan transporteren dan elektrische signalen via koperdraad, is nieuwe technologie steeds vaker gebaseerd op optica. Wereldwijd zijn nu al duizenden kilometers glasvezelkabels te vinden, voor het afleveren van e-mail, plaatjes en video's.
Omdat we steeds meer data produceren en consumeren, moeten computers en communicatienetwerknen ook een steeds grotere stroom aan informatie kunnen afhandelen.
Door het focussen van licht in kleinere gebiedjes kan meer data door de glasvezels worden geperst en de bandbreedte worden vergroot. Bovendien kunnen door de mogelijkheid om licht op zo'n kleine schaal te beheersen, optische componenten compacter en daardoor energiezuiniger worden gemaakt.
Het is niet eenvoudig om licht zo sterk te focusseren: bij afmetingen die kleiner zijn dan de golflengte van het licht - enkele honderden nanometer bij zichtbaar licht - wordt de zogeheten diffractielimiet bereikt.
Het is dan fysisch onmogelijk om het licht nog verder te bundelen. Maar nu hebben de onderzoekers bij Caltech, onder aanvoering van assistent-professor Hyuck Choo, een nieuw type golfgeleider gebouwd die de natuurlijk grens kan doorbreken.
Deze golfgeleider, die wordt beschreven in een recente editie van het tijdschrift Nature Photonics, is gemaakt van amorf siliciumdioxide - dat lijkt op gewoon glas - bedekt met een dunne laag goud. De component ziet eruit als een rechtoekig doosje van 2 micrometer lang, dat aan één kant taps toeloopt tot in een punt.
Als door deze golfgeleider licht wordt gestuurd ontstaat er interactie tussen de fotonen en de elektronen op de overgang tussen het goud en het siliciumdioxide. De elektronen oscilleren en de oscillaties planten zich door de component voort als golven - vergelijkbaar met de manier waarop trillingen van luchtmoleculen zich verplaatsen als geluidsgolven.
Doordat de elektronenoscillaties direct zijn gekoppeld aan het licht, dragen zij dezelfde informatie en eigenschappen - en daardoor dienen ze als een ‘proxy' voor het licht.
In plaats van alleen het licht focusseren - dat is immers onmogelijk door de diffractielimiet - focussert de nieuwe component de gekoppelde elektronenoscillaties, die ‘surface plasmon polaritons' worden genoemd. Deze SPP's verplaatsen zich door de golfgeleider en worden gefocusseerd door het puntige uiteinde. Omdat de component standaard nanoproductietechnologie is opgebouwd op een halfgeleiderchip, is hij volgens Choo eenvoudig te integreren met huidige technologieën.
Eerder nanofocusseer-chips konden het lichts slechts bundelen tot een smalle lijn. Ze waren ook niet efficiënt: maar een paar procent van de binnenkomende fotonen werd gefocusseerd; de meerderheid werd gebsorbeerd en vertrooid bij hun gang door de component.
Met het nieuwe systeem kan het licht uiteindelijk worden gebundeld in drie dimensies, waardoor een punt ontstaat met een diameter van een paar nanometer en waarbij de helft van het binnenkomende licht wordt benut. En volgens Choo kan het rendement worden opgevoerd tot 70 procent door genoegen te nemen met een wat grotere punt, van 14 bij 80 nanometer.
"Onze component komt voort uit fundamenteel onderzoek, maar we hopen dat het een goede bouwsteen is voor potentieel revolutionaire engineering-toepassingen", zegt Myung-Ki Kim, een postdoctoraal wetenschapper en mede-auteur van het artikel.
Een van de mogelijke toepassingen is bijvoorbeeld het gebruik van de nanofocusseercomponent als biologisch beeldvormingsinstrument met hoge resolutie, zegt Kim. Een bioloog kan specifieke moleculen in en cel kleuren met fluorescerende proteïnen die opgloeien als er licht op valt.
Met de nieuwe component kan het licht in de cel worden gefocusseerd, waaedoor de proteïnen oplichten. Omdat het licht tot zo'n kleine punt wordt gebundeld, kan zo met hoge resolutie een kaart worden gemaakt van de ingekleurde moleculen.
Het licht kan ook in omgekeerde richting door de component worden gezonden: door het verzamelen van licht door de nauwe punt verkrijgt men een microscoop met hoge resolutie. Ook kunnen er diskdrives met meer opslagcapaciteit, door gebruik te maken van warmte-ondersteunde magnetische opslag.
Normale disks bevatten rijen kleine magneten die met hun noord- en zuidpolen tegen elkaar aan liggen. Data-opslag vindt plaats door met een magnetisch veld e polariteit van die magneten om te draaien.
Als de magneten nog kleiner zouden zijn, past er meer informatie op dezelfde schijf. Maar kleinere magneten van de huidige materialen worden instabiel bij kamertemperatuur, waardoor de polariteit spontaan kan omslaan.
Er kunnen stabielere materialen worden gebruikt, maar dan is warmte nodig bij de data-opslag. De warmte maakt de magneten minder gevoelig voor polariteitswisselingen. Daarom moet bij het schrijven van data een laser worden gebruikt om de afzonderlijke magneetjes te verwarmen, terwijl een magneetveld zorgt voor de gewenste polariteit.
Met de huidige technologie is het echter niet mogelijk om de laserstraal te bundelen tot zo's smalle straal dat afzonderlijke magneten kunne worden verhit. Gangbare lasers komen slechts tot een bundel van 300 nnanometer breed, waardoor ook naburige magneetjes worden verhit en dat kan dataverlies veroorzaken. Met de nieuwe component kan het wel, en daardoor kunnen schijven vijftig maal zoveel data bevatten als nu.
Ook zijn er nog talloze toepassingsmogelijkheden in data-overdracht en communicatie. Choo, die is aangesloten bij het Kavli Nanoscience Institute van Caltech. "Verbaas je niet als je ooit zo'n component tegenkomt in de nieuwe computer die je koopt".
(bron: Engineers Online; foto: Caltech/Hyuck Choo en Myung-Ki Kim)
De video toont de laatste productiestap van de nanofacusseercomponent.
Een stroom hoogenergetische galliumionen blaastongewenste lagen goud en siliciumdioxide weg, om de component zijn vorm te geven:
