Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Maszyny na światło

Recommended Posts

Profesor Hong Tang i jego zespół z Yale University udowodnili, że maszyny - przynajmniej w skali nano - mogą być napędzane światłem. Otwiera do drogę do skonstruowania nowej klasy półprzewodnikowych urządzeń, od superszybkich energooszczędnych sieci telekomunikacyjnych, po czujniki i podzespoły komputerów kwantowych.

Siła wywierana przez światło jest zbyt mała, byśmy ją odczuli w codziennym życiu, jednak jest wystarczająca w skali nano - mówi profesor Tang.

Od dawna istnieją teorie, głoszące, że sama siła fali świetlnej jest zdolna poruszać obiekty. W laboratoriach udawało się za pomocą lasera manewrować pojedynczymi obiektami w roztworach. Wymaga to jednak silnych laserów i skomplikowanej aparatury, zużywającej sporo energii. Zespół Tanga potrafi zrobić to wszystko w znacznie prostszy sposób. Zamiast poruszać cząsteczkami, zintegrowaliśmy wiele urządzeń na krzemowym układzie scalonym i je uruchomiliśmy - informuje jeden z badaczy, Mo Li. Światło poruszało się w układzie podobnie, jak czyni to prąd elektryczny - dzięki wcześniej stworzonym ścieżkom.

Intensywność światła w skali nano jest olbrzymia. Oceniamy, że jasność jaką uzyskaliśmy, jest milion razy większa, niż przy wystawieniu obiektu na działanie Słońca - mówi jeden z naukowców. Na pojedynczym układzie scalonym umieściliśmy setki urządzeń i wszystkie działały - dodaje Tang.
Wykorzystanie światła do bezpośredniego napędzania urządzeń skutkuje olbrzymimi oszczędnościami energii i zwiększeniem wydajności pracy. Bardzo dobrze widać to na przykładzie sieci telekomunikacyjnych. Obecnie wykorzystujemy światło do przesyłania danych. Jednak w sieciach musimy używać elektrycznych modulatorów, które z jednej strony kabla zamieniają sygnał elektryczny w optyczny kodując w nim dane, a z drugiej, dokonują odwrotnej operacji. Całość czyni sieci światłowodowe dość skomplikowanymi urządzeniami, wymagającymi do pracy sporo energii.

Zespół Tanga stworzył optyczny modulator, który jednocześnie przenosi i moduluje sygnały. Wystarczyło użyć lasera, który wprawiał modulator w drgania o odpowiedniej częstotliwości, kodując w ten sposób dane.

James Hone, profesor z Columbia University uważa, że prace jego kolegów z Yale to "techniczny przełom". Otwiera to drogę do produkcji optyczno-mechanicznych przełączników, które będą w stanie kierować jednym sygnałem świetlnym za pomocą drugiego - mówi Hone. Równie zachwycony jest chemik i fizyk profesor Adam Cohen z Uniwersytetu Harvarda. Wynalazek eliminuje bowiem konieczność przekładania sygnałów elektrycznych na optyczne i odwrotnie, co jest skomplikowane i spowalnia komunikację.

Fakt, iż układ z Yale działa właśnie dzięki światłu, daje nadzieję na wyprodukowanie niezwykle precyzyjnych czujników chemicznych. Powinno być zatem możliwe wytworzenie optycznych oscylatorów i powiązanie ich z przeciwciałami reagującymi na konkretne białka, charakterystyczne dla różnych chorób. Zmiany długości fali światła wywołane obecnością białka pozwolą błyskawicznie zdiagnozować chorobę.

Minie jeszcze wiele lat, zanim tego typu urządzenia powstaną. Na razie nanomechanizmy napędzane światłem znajdują się w bardzo wczesnym stadium rozwoju.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Pięknie, nie będą już konieczne repeatery z przetwarzaniem optyczno/elektryczno/optycznym w sieciach światłowodowych

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wyobraźmy sobie całkowicie elastycznego robota, który nie zawiera żadnych obwodów i jest napędzany światłem słonecznym, mówi Amos Meeks z Uniwersytetu Harvarda (SEAS) i główny autor najnowszych badań. Badań, których autorzy opracowali nowatorską całkowicie optyczną platformę obliczeniową. Taką, w której do obliczeń wykorzystuje się tylko i wyłącznie światło.
      W większości współczesnych systemów obliczeniowych wykorzystuje się twarde materiały, takie jak metalowe kable, półprzewodniki i fotodiody łączące elektronikę i światło, stwierdza Meeks. U podstaw wyłącznie optycznej platformy obliczeniowej leży chęć pozbycia się tych elementów i kontrolowanie światła za pomocą światła, dodaje.
      Tego typu platformy wykorzystują materiały nieliniowe, które zmieniają indeks refrakcyjny w reakcji na intensywność światła. Gdy światło przechodzi przez taki materiał, zwiększa się jego indeks refrakcyjny i w materiale pojawia się, generowany światłem, światłowód. Problem jednak w tym, że obecnie większość materiałów nieliniowych wymaga albo użycia potężnych laserów, albo też w wyniku oddziaływania światła na stałe zmieniają się ich właściwości.
      Naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) we współpracy z uczonymi z McMaster University oraz University of Pittsburgh opracowali nowatorski materiał, który w reakcji na światło lasera o niskiej mocy zmiania swój indeks refrakcyjny zmniejszając i zwiększając swoje rozmiary, a zmiany te są odwracalne.
      Nowy materiał to hydrożel zbudowany z sieci polimerowej nasączonej wodą oraz z niewielkiej liczby spiropyranów, molekuł reagujących na światło.
      Gdy hydrożel zostaje oświetlony, nieco się kurczy i zmienia się jego indeks refrakcyjny. Po wyłączeniu światła żel powraca do oryginalnego kształtu. Gdy zaś hydrożel zostanie oświetlony przez wiele źródeł światła, wchodzą one w interakcje i wpływają na siebie. Na przykład promień A może blokować promień B, promień B może blokować promień A, oba mogą blokować się nawzajem lub oba mogą przez siebie przechodzić. Powstaje w ten sposób bramka logiczna.
      Mimo, że to oddzielne promienie, mogą na siebie wpływać. Możemy wyobrazić sobie, że w przyszłości taki sposób reakcji na światło może zostać wykorzystany do wykonywania obliczeń, mówi Kalaichelvi Saravanamuttu z McMaster University.
      Nauki materiałowe się zmieniają. Samoregulujące, adaptacyjne materiały zdolne do optymalizowania swoich właściwości w reakcji na otoczenie zastępują statyczne, nieefektywne energetycznie i zewnętrznie regulowane materiały. Zaprezentowany przez nas materiał, który kontroluje światło o niezwykle niskiej intensywności to kolejny pokaz nadchodzącej rewolucji technologicznej, dodaje profesor Joanna Aizenberg z SEAS.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na Tufts University stworzono magnetyczne kompozyty elastomerowe, które poruszają się w różny sposób w odpowiedzi na światło. Z takich materiałów można by produkować wiele różnych urządzeń, od prostych silników i zaworów po ogniwa fotowoltaiczne samodzielnie kierujące się w stronę światła słonecznego.
      Znamy wiele naturalnych przypadków reakcji na światło. Wystarczy przypomnieć sobie kwiaty czy liście zwracające się w stronę słońca. Materiały, które zostały wykorzystane przez naukowców z Tufts wykorzystują temperaturę Curie, czyli granicę temperatury, przy której ferromagnetyk zmienia swoje właściwości. Zmiana temperatury powoduje utratę i odzyskanie właściwości magnetycznych. Biopolimery i elastomery wzbogacone ferromagnetykiem CrO2 po wystawieniu ich na działanie promienia lasera czy promieni słonecznych ogrzewają się, tracą właściwości magnetyczne, a gdy się schłodzą, odzyskują te właściwości. Materiały takie w odpowiedzi na obecność pola magnetycznego w zależności od kształtu, mogą wykonywać proste ruchy, jak zginanie się, zwijanie czy zwiększanie swojej powierzchni. Możemy połączyć te proste ruchy w bardziej złożone, jak pełzanie, chodzenie czy pływanie. A wszystko można kontrolować bezprzewodowo, za pomocą światła, mówi profesor Fiorenzo Omenetto.
      Zespół Omenetto zaprezentował działanie wspomnianych materiałów tworząc elastyczne chwytaki, które w odpowiedzi na światło łapały i puszczały przedmioty. Jedną z zalet takich materiałów jest fakt, że możemy selektywnie aktywować fragment ich struktury poprzez skoncentrowanie na nich światła, mówi jedna z autorek badań, Meng Li. I w przeciwieństwie do innych materiałów pobudzanych światłem, które bazują na ciekłych kryształach, nasze materiały mogą poruszać się od lub do źródła światła. Wszystko to pozwala na budowę zarówno dużych, jak i małych obiektów wykonujących złożone, skoordynowane ruchy, dodaje uczona.
      Naukowcy stworzyli prosty mechanizm, który nazwali „silnikiem Curie”. Materiał w kształcie okręgu został zamocowany na osi i umieszczony w pobliżu stałego magnesu. gdy na fragment okręgu padło światło lasera, utracił on właściwości magnetyczne, doszło do zaburzenia równowagi sił i okrąg się obrócił. Wówczas oświetlony dotychczas fragment znalazł się w cieniu, odzyskał właściwości magnetyczne, a utracił je fragment obok, który znalazł się w promieniu lasera. W ten sposób prosty silnik ciągle się obracał.
      Dobierając odpowiednio kształt materiału, właściwości światła i pola magnetycznego, możemy teoretycznie uzyskać bardziej złożone i precyzyjne ruchu, jak zwijanie i rozwijanie, przełączanie zaworów w mikrokanalikach z płynami, możemy napędzać silniki w skali nano i wiele innych rzeczy, mówi Omenetto.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na fińskim Aalto University uzyskano kondensat Bosego-Einsteina stworzony ze światła i plazmonów powierzchniowych. Ich wzajemne oddziaływanie tworzy polarytony plazmonów powierzchniowych.
      Przed niemal stu laty Einstein i Bose przewidzieli, że prawa mechaniki kwantowej mogą spowodować, iż duże grupy cząstek mogą zachowywać się tak, jakby były jedną cząstką. Zjawisko to nazwano kondensacją Bosego-Einsteina. Pierwszy kondensat tego typu udało się uzyskać dopiero w 1995 roku.
      Kondensaty uzyskiwano już wielokrotnie i w różnych konfiguracjach, jednak naukowcy ciągle nad nimi pracują. Chcą bowiem uzyskiwać je szybciej, w wyższych temperaturach i mniejszej skali. Mają bowiem nadzieję na praktyczne ich wykorzystanie. Z kondensatu Bosego-Einsteina można by stworzyć ekstremalnie małe źródło światła, które niezwykle szybko będzie przetwarzało dane.
      Fińscy uczeni poinformowali o stworzeniu kondensatu Bosego-Einsteina ze światła i elektronów poruszających się na powierzchni złotych nanopręcików. W przeciwieństwie do większości wcześniej uzyskiwanych kondensatów ten z Aalto, jako że złożony jest głównie ze światła, pojawia się w temperaturze pokojowej, nie trzeba całości schładzać do temperatur bliskich zera absolutnego.
      Korzystając ze współczesnych metod produkcyjnych jesteśmy w stanie w łatwy sposób uzyskać macierz z nanopręcików. W ich pobliżu można skupiać światło na bardzo małych powierzchniach, mniejszych nawet od długości fali światła w próżni. Te właściwości dają nam interesujące perspektywy dla przyszłych badań i zastosowań praktycznych nowego kondensatu, mówi profesor Päivi Törmä.
      Głównym problemem związanym z nowym rodzajem kondensatu jest fakt, że błyskawicznie się on pojawia i znika. Z naszych wyliczeń wynika, że czas jego życia jest liczony w pikosekundach, wyjaśnia doktorant Antti Moilanen. Naukowcy musieli więc wymyślić sposób na udowodnienie istnienia czegoś, co znika po bilionowych części sekundy. Wpadli na pomysł, by zmusić kondensat do poruszania się. Kondensat powoduje, że złote nanopręciki emitują światło. Obserwując to światło możemy badać zmiany kondensatu w czasie, dodaje Tommi Hakala. Emitowane światło jest podobne do światła laserowego. Możemy zmieniać odległości pomiędzy nanopręcikami, co pozwala nam na zdecydowanie, czy mamy do czynienia z kondensacją Bosego-Einsteina czy z pojawieniem się zwykłego światła laserowego. To są dwa bardzo zbliżone zjawiska fizyczne, a kluczowym jest możliwość odróżnienia ich od siebie. Oba nadają się też do odmiennych zastosowań, mówi profesor Törmä.
      Światło laserowe i kondensacja Bosego-Einsteina dają jasne promienie, jednak koherencje światła mają różne właściwości. To zaś wpływa na sposób, w jaki można manipulować światłem w zależności od wymaganych zastosowań. Kondensat pozwala na uzyskiwanie niezwykle krótkich impulsów światła, które mogą zostać wykorzystane do szybkiego przekazywania i przetwarzania informacji.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      IBM pokaże dzisiaj prototypowy optyczny układ scalony „Holey Optochip“. To pierwszy równoległy optyczny nadajnik-odbiornik pracujący z prędkością terabita na sekundę. Urządzenie działa zatem ośmiokrotnie szybciej niż inne tego typu kości. Układ pozwala na tak szybki transfer danych, że mógłby obsłużyć jednocześnie 100 000 typowych użytkowników internetu. Za jego pomocą można by w ciągu około godziny przesłać zawartość Biblioteki Kongresu USA, największej biblioteki świata.
      Holey Optochip powstał dzięki wywierceniu 48 otworów w standardowym układzie CMOS. Dało to dostęp do 24 optycznych nadajników i 24 optycznych odbiorników. Przy tworzeniu kości zwrócono też uwagę na pobór mocy. Jest on jednym z najbardziej energooszczędnych układów pod względem ilości energii potrzebnej do przesłania jednego bita informacji. Holey Optochip potrzebuje do pracy zaledwie 5 watów.
      Cały układ mierzy zaledwie 5,2x5,8 mm. Odbiornikami sygnału są fotodiody, a nadajnikami standardowe lasery półprzewodnikowe VCSEL pracujące emitujące światło o długości fali 850 nm.
×
×
  • Create New...