Ученым давно известно, что синтетические материалы, называемые метаматериалами, могут манипулировать электромагнитными волнами, такими как видимый свет, чтобы заставить их вести себя так, как они не ведут себя в природе. Это привело к таким прорывам, как получение изображений в сверхвысоком разрешении.
Группа исследователей, в которую входят сотрудники из UMass Lowell, Королевского колледжа в Лондоне, Парижского университета Дидро и Университета Хартфорда, создала новый класс метаматериалов, которые можно «настраивать» для изменения цвета света. Такая технология может когда-нибудь включить оптическую связь внутри чипа в компьютерных процессорах, что приведет к уменьшению, ускорению, удешевлению и повышению энергоэффективности компьютерных чипов с более широкой полосой пропускания и лучшему хранению данных, а также к другим улучшениям. Встроенная оптическая связь также может создавать более эффективные волоконно-оптические телекоммуникационные сети.
«Современные компьютерные чипы используют электроны для вычислений. Электроны хороши тем, что они крошечные», — сказал профессор Виктор Подольский с кафедры прикладной физики, который является главным исследователем проекта в UMass Lowell. «Однако частота электронов недостаточно высока. Свет — это комбинация крошечных частиц, называемых фотонами, которые не имеют массы. В результате фотоны могут потенциально увеличить скорость вычислений чипа».
По словам Виктора Подольского, преобразование электрических сигналов в световые импульсы приведет к замене устаревших медных проводов на обычных кремниевых чипах. Это обеспечит оптическую связь между чипами и, в конечном счете, связь между ядрами на одном чипе.
«Конечным результатом будет устранение узкого места в коммуникациях, что сделает параллельные вычисления намного быстрее», — сказал он, добавив, что энергия фотонов определяет цвет света. «Подавляющее большинство предметов повседневного пользования, включая зеркала, линзы и оптические волокна, могут управлять или поглощать эти фотоны. Однако некоторые материалы могут объединять несколько фотонов вместе, в результате чего получается новый фотон с более высокой энергией и другого цвета».
Виктор Подольский говорит, что возможность взаимодействия фотонов является ключом к обработке информации и оптическим вычислениям. «К сожалению, этот нелинейный процесс крайне неэффективен, и подходящие материалы для стимулирования взаимодействия фотонов очень редки».
Исследовательская группа обнаружила, что несколько материалов с плохими нелинейными характеристиками могут быть объединены вместе, в результате чего получается новый метаматериал, который демонстрирует желаемые нелинейные свойства.
«Улучшение происходит от того, как метаматериал изменяет поток фотонов», — говорят ученые. «Работа открывает новое направление в управлении нелинейным откликом материалов и может найти применение в оптических схемах, значительно улучшая коммуникацию на кристалле».
Brian Wells et al, Structural second-order nonlinearity in plasmonic metamaterials, Optica (2018). DOI: 10.1364/OPTICA.5.001502
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
