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Caltech-Forscher stellen Nanoscale Kristall Gerät, um Licht und Ton Vibrations Confine

Published on October 27, 2009 at 7:53 AM

Optomechanical Kristalle konnten in der Informationsverarbeitung verwendet werden, wie hochempfindliche Biosensoren und vieles mehr

Forscher am California Institute of Technology (Caltech) haben einen nanoskaligen Kristall-Gerät, das zum ersten Mal ermöglicht es Wissenschaftlern, Licht-und Schallwellen in der gleichen kleinen Raum beschränken erstellt.

"Das ist ein ganz neues Konzept", sagt Oskar Painter, Associate Professor für angewandte Physik am Caltech. Painter ist der Principal Investigator am Papier beschreibt die Arbeit, die diese Woche veröffentlicht in der Online-Ausgabe der Zeitschrift Nature wurde. "Die Leute haben gewusst, wie man Licht zu manipulieren, und sie haben gewusst, wie man Sound zu manipulieren. Aber sie hatten nicht gemerkt, dass wir beide zur gleichen Zeit zu manipulieren, und dass die Wellen sehr stark interagieren innerhalb dieses einzigen Struktur."

(Oben) Dies ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des optomechanischen Kristall. (Unten) Dies ist eine genauere Ansicht des Geräts nanobeam

In der Tat, Maler weist darauf hin, die Wechselwirkungen zwischen Licht und Ton in das eine mechanische Kristall-can-Gerät synchronisiert in mechanische Schwingungen mit Frequenzen bis zu zehn Gigahertz, oder 10 Milliarden Schwingungen pro Sekunde ergeben. Die Möglichkeit, solche Frequenzen zu erreichen, erklärt er, gibt diese Geräte die Fähigkeit, große Mengen an Informationen zu senden, und eröffnet ein breites Spektrum möglicher Anwendungen-alles aus lightwave Kommunikationssysteme, die Biosensoren zum Aufspüren von (oder mit einem Körpergewicht) ein einziges Makromolekül. Es könnte auch, Maler sagt, als Recherche-Tool von Wissenschaftlern studiert Nanomechanik verwendet werden. "Diese Strukturen würden eine Masse Empfindlichkeit, dass konventionelle nanoelektromechanischen Systemen Rivalen würde, weil das Licht in diese Strukturen besonders empfindlich auf Bewegung als eine herkömmliche elektrische System ist."

"Und das alles", fügt er hinzu, "kann auf einem Silizium-Mikrochip erfolgen."

Optomechanical Kristalle auf die grundlegenden Einheiten-oder Quanten-von Licht und Ton zu konzentrieren. (Diese werden als Photonen und Phononen, angezeigt.) Als Maler Notizen, es hat eine reiche Geschichte der Erforschung sowohl photonische und phononischen Kristallen, die winzigen Energie-Traps verwenden genannte Bandlücke zu Lichtquanten oder Ton in ihren Strukturen zu erfassen gewesen.

Was war nicht geschehen, bevor war, diese beiden Arten von Kristallen zusammen und sehen, was sie dazu in der Lage sind. Das ist, was die Caltech-Team getan hat.

"Wir haben jetzt die Möglichkeit, Sound und Licht in der gleichen nanoplatform zu manipulieren, und sind in der Lage, Energie zwischen den beiden Systemen ineinander", sagt Painter. "Und wir können diese in nahezu grenzenlose Möglichkeiten Ingenieur."

Das Volumen, in dem die Licht-und Ton gleichzeitig beschränkt sind, ist mehr als 100.000 Mal kleiner als die von einer menschlichen Zelle, Notizen Caltech Doktorand Matt Eichenfield, das Papier der erste Autor. "Das bedeutet zwei Dinge", sagt er. "Zuerst bekommen die Wechselwirkungen der Ton-und Licht stärker als das Volumen, auf die sie nimmt beschränkt sind. Zweitens wird die Menge der Masse, sich zu bewegen, um die Schallwelle zu schaffen, hat kleiner als das Volumen abnimmt. Wir haben das Volumen, in dem Licht und Ton leben so klein, dass die Masse, dass der Sound zu vibriert etwa zehnmal weniger als ein Billionstel Gramm ist. "

Eichenfield weist darauf hin, dass neben der Messung hochfrequenter Schallwellen, die Mannschaft gezeigt, dass es tatsächlich möglich ist, diese Wellen nur mit Licht zu erzeugen. "Wir können nun konvertieren Lichtwellen in Mikrowellen-Schallwellen an der Oberfläche eines Silizium-Mikrochip", sagt er.

Diese Schallwellen, fügt er hinzu, sind analog zu den Lichtwellen eines Lasers. "Die Art, wie wir das System so ausgelegt haben, macht es möglich, diese Schallwellen, indem Sie sie um auf dem Chip und macht sie interagieren mit anderen on-Chip-Systemen zu verwenden. Und natürlich können wir dann erkennen alle diese Interaktionen erneut mit das Licht. Wesentlichen bieten optomechanischen Kristalle eine ganz neue On-Chip-Architektur, in denen Licht zu erzeugen, können interagieren mit, und erkennt hochfrequente Schallwellen. "

Diese optomechanischen Kristalle wurden als Ableger der bisherigen Arbeiten des Malers und Kollegen im Nanobereich getan geschaffen "Reißverschluss Hohlraum", in dem die mechanischen Eigenschaften des Lichts und seine Wechselwirkung mit Bewegung gestärkt wurden und erweitert.

Wie der Reißverschluss Hohlraum, optomechanische Kristalle trap Licht, der Unterschied ist, dass die Kristalle trap-und intensivieren-Schallwellen, wie gut. Auch während der Reißverschluss Hohlräume arbeitete von funneling das Licht in den Spalt zwischen zwei Nanostrahlen-ermöglicht es den Forschern, die Balken "Bewegung zueinander-optomechanischen Kristalle Arbeit an einem noch kleineren Maßstab erkennen, Trapping sowohl Licht und Ton in einem einzigen nanobeam .

"Hier können wir tatsächlich sehen, sehr kleine Schwingungen des Klangs auch in einem einzigen gefangen" String ", mit dem Licht im Inneren, dass string gefangen", sagt Eichenfield. "Wichtig ist, obwohl die Methode der Erfassung der Bewegung ist sehr verschieden, haben wir nicht verlieren, die exquisite Empfindlichkeit auf Bewegung, die den Reißverschluss hatte. Wir können die Empfindlichkeit auf Bewegung hoch zu halten während Sie eine andere Riesenschritt in Masse waren."

"Als Technologie, opto-mechanische Kristalle eine Plattform, auf der planare Schaltungen aus Klang und Licht erzeugen zu bieten", sagt Kerry Vahala, die Ted und Ginger Jenkins Professor of Information Science and Technology und Professor für angewandte Physik, und Mitverfasser der Zeitschrift Nature. "Diese Schaltungen können eine Reihe von Funktionen zur Erzeugung, Erfassung und Kontrolle. Darüber hinaus", sagt er, "optomechanische Kristallstrukturen sind hergestellt unter Verwendung von Materialien und Werkzeugen, die ähnlich denen in der Halbleiter-und Photonik-Industrie zu finden sind. Zusammengenommen bedeutet dies, dass Phononen haben Photonen und Elektronen als Möglichkeiten zur Manipulation und Verarbeitung von Informationen auf einem Chip verbunden. "

Und diese Informationsverarbeitung Möglichkeiten sind gut erreichbar, Notizen Painter. "Es ist nicht eins plus eins gleich zwei, sondern eins plus eins gleich zehn in Bezug auf was man mit diesen Dingen zu tun. Alle diese Anwendungen sind viel näher als sie vorher waren."

"Dieser neue Ansatz zu bringen sowohl Licht und Ton zusammen und ließ sie gegeneinander auszuspielen voneinander ein Beispiel für die zukunftsweisende Arbeit der Technik und angewandte Wissenschaften (EAS) Division getan", sagt Ares Rosakis, Vorsitzender der EAS und Theodore von Kármán Professor für Luft-und Maschinenbau an der Caltech.

Quelle: http://www.caltech.edu/

Last Update: 4. October 2011 20:09

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