Egy telefonhívás során az emberi hangot elektronikus jelekké alakítják át, továbbítják, és a másik végén tisztán hallható. A jelfrekvenciák ilyen eltolódását lehetővé tevő folyamatot frekvenciakeverésnek nevezik, és ez elengedhetetlen az olyan kommunikációs technológiákhoz, mint a rádió és a Wi-Fi. A frekvenciaátalakítók az elektronikus eszközök kulcsfontosságú elemei, amelyek másodpercenként több milliárd (GHz, gigahertz) és több billió (THz, terahertz) közötti frekvencián működnek.
A kutatók előtt régen ismert, hogy a fényt is használhatnánk információtovábbításra, hiszen a fény elektromágneses tere nagyságrendekkel gyorsabban változik, mint a leggyorsabb mikroelektronikai kapcsolók kapcsolási sebessége. A fényhullámú elektronika (vagy petahertzes elektronika) egy viszonylag új kutatási terület, amelyben a fényhullámok elektromos mezejét közvetlenül a kommunikáció gyorsítására használják fel. Az 1970-es években a tudósok elkezdték vizsgálni, hogyan lehetne az elektronikus frekvenciakeverést diódák segítségével kiterjeszteni a terahertzes tartományba. Bár ezek a korai erőfeszítések ígéretesnek tűntek, a fejlődés évtizedekig megtorpant. A közelmúltban azonban a nanotechnológia fejlődése újra fellendítette ezt a kutatási területet.
Képzeljünk el egy olyan frekvenciaátalakítót, amely másodpercenként kvadrilliószoros sebességgel (PHz, petahertz) működik, lehetővé téve lényegesen nagyobb mennyiségű információ sokkal nagyobb sebességgel történő továbbítását és feldolgozását. Az amerikai csúcsegyetem, a MIT kutatói most bemutattak egy új, petahertzes frekvencián működő fényhullám-elektronikus átalakítót, amely az első lépés a kommunikációs technológia gyorsabbá tételéhez. E mellett a kutatók új, miniatürizált fényhullámú, elektronikus áramköröket fejlesztenek, amelyek közvetlenül nanoszintű optikai jelek kezelésére képesek.
Ezek a petahertzes frekvenciaátalakítók lehetővé tennék, hogy a jeleket optikai frekvenciákra hangoljuk fel, majd vissza a hagyományosabb elektronikus frekvenciákra, lehetővé téve ezzel sokkal nagyobb mennyiségű információ sokszoros sebességgel történő továbbítását és feldolgozását. A sebességugrás nem csupán arról szól, hogy a dolgok gyorsabban mennek, hanem teljesen új képességeket tesz lehetővé.
A Science Advancesben publikált eredmények alapján a kutatók felfedezték, hogy az olyan apró szerkezetek, mint a nanométeres tűhegyek és a plazmonikus antennák hasonlóan működhetnek, mint a korai diódák, de sokkal magasabb frekvenciákon. A nanoantennák képesek a fény különböző frekvenciáit keverni, lehetővé téve a hagyományos elektronika által elérhető leggyorsabbnál nagyságrendekkel gyorsabban rezgő jelek elemzését. Az ilyen petahertzes elektronikai eszközök olyan fejlesztéseket tehetnek lehetővé, amelyek végső soron forradalmasíthatják a rendkívül gyors optikai jelek pontos elemzését igénylő területeket, például a spektroszkópiát és a képalkotást, ahol a femtoszekundumos dinamika megragadása kulcsfontosságú (a femtoszekundum a másodperc egymilliomod része).
Hullámhosszok
A kutatók korábban nanoantenna-hálózatokat használtak egy chipen belüli, szélessávú elektronikus optikai frekvenciakeverő létrehozásához. Az innovatív megközelítés lehetővé tette a több mint egy oktáv sávszélességű optikai hullámformák pontos kiolvasását. Bár az optikai frekvenciakeverés nemlineáris anyagok használatával lehetséges, az eljárás tisztán optikai (azaz a bemeneti fényt új frekvenciájú kimeneti fénnyé alakítja). Ezenkívül az anyagoknak sok vastag hullámhosszúságúnak kell lenniük, ami az eszköz méretét a mikrométeres skálára korlátozza (a mikrométer a méter egymilliomod része).
Az MIT kutatói ezzel szemben fényvezérelt alagútmechanizmust használnak, amely nagy nemlinearitást kínál a frekvenciakeveréshez és közvetlen elektronikus kimenethez nanométeres méretű eszközökkel (egy nanométer a méter egy milliárdod része).A kutatók elképzelései szerint hasonló eszközök lehetővé teszik majd a fényhullámokat használó áramkörök építését. A több oktávot átfogó sávszélességgel ez az eszköz új lehetőségeket biztosíthat a fény-anyag kölcsönhatások vizsgálatára, felgyorsítva az ultragyors technológia fejlődését.
Forrás: Interesting Engineering
A borítókép illusztráció, forrás: Adobe Stock
