Znajdź zawartość

Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley powstał grafenowy modulator optyczny. Jak mówią jego twórcy, potencjalnie takie urządzenie może pozwolić w przyszłości pobranie np. na smartfona całego filmu w ciągu kilkunastu sekund. Urządzenie jest dziełem zespołu pracującego pod kierunkiem profesora Xianga Zhanga. To najmniejszy na świecie modulator optyczny, a w komunikacji to właśnie modulatory decydują o prędkości przesyłu danych - stwierdził Zhang. Dzięki grafenowi możemy tworzyć niezwykle małe modulatory, pracujące z prędkością do 10 razy większą niż umożliwiają to współcześnie wykorzystywane urządzenia - dodaje uczony. Grafenowe modulatory powinny być bardzo tanie. Jak stwierdził Ming Liu, współautor badań, grafit zawarty z jednym tylko ołówku wystarczy do zbudowania miliarda modulatorów. Zespół Zhanga dostosował grafen do tego, by absorbował światło o długości fali wykorzystywanej w telekomunikacji. Zauważyli bowiem, że energia elektronów może być łatwo zmieniana za pomocą napięcia elektrycznego przykładanego do materiału. Zatem za pomocą energii elektrycznej można zdecydować, czy grafen zaabsorbuje światło czy też nie. Przy odpowiednim napięciu ujemnym elektrony opuszczają grafen i nie absorbuje on fotonów stając się dla nich całkowicie przezroczysty. Jest też przezroczysty przy pewnych wartościach dodatnich, gdyż wówczas elektrony stają się tak gęsto upakowane, że nie mogą absorbować fotonów. Naukowcy znaleźli optymalny punkt, w którym można przełączać grafen. Jeśli porównamy grafen do korytarza, a elektrony do ludzi, to gdy korytarz jest pusty, nie ma nikogo, kto byłby w stanie zatrzymać foton. Innym przypadkiem jest sytuacja, gdy w korytarzu jest tak dużo ludzi, że nie mogą się poruszać. Wówczas również nie mogą blokować fotonów. Gdzieś pośrodku znajduje się idealny punkt, w którym elektrony mogą absorbować fotony, a cały grafen jest dla nich półprzezroczysty - wyjaśnia Xiaobo Yin z zespołu badawczego. Podczas eksperymentów prototypowy modulator pracował z częstotliwością 1 GHz. Uczeni mówią, że teoretycznie można tę wartość zwiększyć do 500 GHz. Grafenowy modulator stwarza też szanse na zbudowanie komputerów optycznych. Światło pozwala na znacznie szybsze przetwarzanie danych niż elektrony, jednak problem stanowi długość fali, sporo większa niż wielkość pojedynczego elektronu. Dlatego też elektrony lepiej radzą sobie w ciasnych minaturowych układach elektronicznych, a światło używane jest tam, gdzie mamy do czynienia z dużymi przestrzeniami, np. w światłowodach. Grafenowy modulator pokonuje te przeszkody. Prototypowe urządzenie z Berkeley ma powierzchnię zaledwie 25 mikronów kwadratowych. Obecnie wykorzystywane modulatory liczą sobie po kilka milimetrów kwadratowych. Ponadto grafen może pracować z bardzo szerokim spektrum światła, od ultrafioletu po podczerwień. Grafenowe modulatory nie tylko oferują zwiększenie prędkości przetwarzania danych. Pozwalają też na upakowanie większej ich ilości w pojedynczym impulsie. W miejsce łączy szerokopasmowych będziemy mieli ‚łącza ekstremalne'. Grafenowy modulator to kolosalny krok naprzód nie tylko w elektronice konsumenckiej, ale wszędzie tam, gdzie napotykamy obecnie na ograniczenia w prędkości przesyłania danych, a więc np. w bioinformatyce czy meteorologii - mówi profesor Zhang i dodaje, że pierwsze grafenowe modulatory mogą trafić na rynek w ciągu najbliższych kilku lat.

Profesor Xiang Zhang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley nie rzuca słów na wiatr. Przed dwoma laty wraz ze swoim zespołem połączył metalowe plazmonowe soczewki z "latającą głowicą" udoskonalając proces litograficzny i obiecał, że w ciągu 3-5 lat nowa technologia znajdzie komercyjne zastosowanie. Już rok później znacząco udoskonalił plazmonowy laser (spaser), dzięki czemu jest on w stanie wygenerować światło na przestrzeni zaledwie 5 nanometrów. Teraz ze swoimi współpracownikami stworzył technikę, która pozwala plazmonowym laserom pracować w temperaturze pokojowej. Dotychczas wymagały one bardzo niskich temperatur, co uniemożliwiało ich praktyczne zastosowanie. Lasery plazmonowe pozwalają na stworzenie bioczujników składających się z pojedynczej molekuły, fotonicznych obwodów scalonych czy bardzo wydajnych optycznych systemów komunikacyjnych, ale żeby to wszystko wyprodukować, musimy zmusić lasery do pracy w temperaturze pokojowej - mówił Zhang. Dotychczas lasery plazmonowe działały w komorach próżniowych i temperaturze 10 kelwinów, czyli około -263 stopni Celsjusza. W wyższych temperaturach światło takich laserów ulega dużemu rozproszeniu, co wymagało zwiększenia natężenia pozostałego światła, a to można było osiągnąć w niezwykle niskich temperaturach. Zespół Zhanga postanowił skorzystać z ciekawego zjawiska, którego możemy doświadczyć w wielu budynkach (np. na Grand Central Terminal w Nowym Jorku). W przykrytych dachem owalnych pomieszczeniach dźwięk emitowany z jednego końca zostaje odbity i wędruje do drugiego końca, dzięki czemu bardzo oddalone osoby mogą rozmawiać tak, jakby stały obok siebie. Uczeni wykorzystali podobny pomysł do odbijania plazmonów. Na srebrze najpierw umieszczono 5-nanometrowej grubości warstwę fluorku magnezu, a na nią nałożono siarczek kadmu o grubości 45 nanometrów i długości 1 mikrometra. Dzięki takiej architekturze światło udało się wygenerować na przestrzeni 20 nanometrów, to 20-krotnie mniej niż długość jego fali, i wzmocnić aż 18-krotnie. Taki laser działa w temperaturze pokojowej i do pracy nie wymaga próżni.