Onderzoekers bouwen laser van 5nm

Onderzoekers aan een Amerikaanse universiteit zijn erin geslaagd nanolasers te construeren. De volgens het onderzoeksteam kleinste laser die ooit is gemaakt zou op traditionele halfgeleiderchips kunnen worden geïntegreerd.

Laserlicht, en alle elektromagnetische straling, kan in principe niet worden gefocused op een punt dat dichterbij ligt dan de helft van de gebruikte golflengte. Deze beperking levert limieten op voor de afmetingen van een laser en de golflengte van het geproduceerde licht, wat het toepassingsgebied van lasers in onder meer optische communicatie beperkt. Idealiter zou een laser voor toepassingen in optische computers slechts 1 nanometer moeten meten: de golflengte van een elektron.

Het lijkt erop dat een recente ontwikkeling om lasers op nanoschaal te maken, deze beperking kan doorbreken. De nieuwe techniek maakt gebruik van een fenomeen dat bekend staat als surface plasmons, of oppervlakte-plasmonen. Lichtgolven en oscillerende elektronen interacteren op het oppervlak van metalen om de plasmonen te vormen. Dit verschijnsel kan benut worden om lasers met zeer kleine diameter te produceren. Dat was al bekend, maar het probleem is dat de weerstand in metaal de plasmonen zeer snel uitdooft.

De onderzoekers van de universiteit van Berkeley, onder leiding van Xiang Zhang, hebben echter een methode ontwikkeld om het uitdoven tegen te gaan en plasmon-lasers met een doorsnede van 5nm te vervaardigen. Zhang en zijn team maken gebruik van een nanodraad van cadmiumsulfide die vlak boven een zilveren oppervlak is aangebracht. In de isolerende ruimte tussen de nanodraad en het zilver kan de laser-werking optreden zonder dat een sterke uitdoving optreedt. Op deze manier wist de groep van Zhang een laser te maken met een doorsnede van vijf nanometer; dat is twintig keer kleiner dan de golflengte van het gebruikte licht.

De resulterende hybride laser moet nog verfijnd worden: onder meer de opbrengst en de afmetingen dienen nog geoptimaliseerd te worden om in praktische toepassingen inzetbaar te zijn. Een groot voordeel van de plasmon-lasers is dat ze op chips kunnen worden geïntegreerd: ze zijn solid state en kunnen volledig met bestaande halfgeleider-productietechnieken worden vervaardigd. De lasers zouden onder meer gebruikt kunnen worden in optische computers en optische communicatie, maar ook medische toepassingen zijn denkbaar.

Reacties (32)

Betekend dat dan dat er meer bitjes op een oppervlakte geplaatst kunnen worden? En dus de opslag capaciteit van een schijfje vergroten?

Volgens mij moet je eerder denken aan computers (of eigenlijk chips) waarbij de signalen tussen onderlinge componenten via licht worden verstuurd i.p.v. elektriciteit.

Licht geeft minder warmte af waardoor je dus meer componenten per cm² kwijt kan en je dus kleinere afmetingen en snellere prestaties kan verkrijgen.

[Reactie gewijzigd door T-men op 2 september 2009 17:17]

Is het ook niet sneller? of valt dat tegen?

Het is iets sneller. Elektronen bewegen met ongeveer 2/3 van de lichtsnelheid door koper zo uit m'n hoofd. Hoeveel dit door silicium banen van 32 nm is, is een tweede.

Nu even in perspectief. Op 3 GHz kan een elektron door koper dus ongeveer 2/3 * 300.000.000 m/s / 3.000.000.000 Hz = 6,666 cm afleggen tussen 2 kloktikken. Met licht kan dit ongeveer opgerekt worden tot 10 cm.

[Reactie gewijzigd door jvo op 2 september 2009 17:41]

Effe een correctie electronen bewegen helemaal niet met een snelheid van 2/3 van lichtsnelheid door koper(electrische veld wel),denk jij dat als je een host in Belgie pingt dat je electron heen en weer met het pakketje meereisd ?
Als het zo was dan zou je met een koperdraadje en penlite een aardige deeljtesversneller in elkaar kunnen knutselen
De electronen drift is rond van 0,8 m per uur en op AC (wissklestroom) is het gelijk aan 0,google maar eens.

De hoeveelheid data die over een lichtbundel verzonden kan worden is echter veel groter, dus zal de snelheid van optische chips en onderlinge componenten veel hoger liggen (denk hierbij aan het verschil tussen glasvezel en kabel)..

[Reactie gewijzigd door fevenhuis op 2 september 2009 19:42]

De hoeveelheid data die over een lichtbundel verzonde kan wroden is echter veel groter, dus zal de snelheid van optische chips en onderlinge componenten veel hoger liggen (denk hierbij aan het verschil tussen glasvezel en kabel)..

Als het aantal 'banen' ten opzichte van koper hetzelfde blijft dan klopt dat wat je zegt niet helemaal. De bandbreedte van glasvezelinternet is hoger dan over koper omdat er zoveel verschillende vezels in één kabel passen. Dat kan bij koper niet omdat daar rekening gehouden moet worden met storing van buitenaf en isolatie daarvoor.

Het enige fysieke snelheidsverschil zit hem dus in het feit dat een elektron zich maar op 2/3 de snelheid van licht voortbeweegt.

Toch zitten er verschillen in de fysieke mogelijkheden van het medium lijkt mij, een electron door glasvezel is bepaalt niet hetzelfde als een electron door koper.

De verdraait lange post van LYNXS onder gaat er wat verder op in.

[Reactie gewijzigd door fevenhuis op 2 september 2009 19:20]

Het feit dat lichtsignalen door glasvezel minder gevoelig zijn voor storing betekent automatisch ook dat er meer data door kan.

De bitrate kan hoger zijn dan bij koper en het aantal frequenties wat gebruikt kan worden ook.

De looptijd van een signaal hangt niet af van de fysieke snelheid waarmee een elektron door een draad of chip-baan heen kan rennen. Het elektrische veld (wat het signaal overdraagt) beweegt nog altijd met de snelheid van het licht door de geleider heen.

De snelheidsbeperking komt vooral door capaciteiten naar het substraat (aarde) toe die moeten worden opgeladen of ontladen. Kleinere banen betekenen kleinere capaciteiten -> snellere chips dus

Optische signaaloverdracht heeft vooral het voordeel dat je geen warmte verliest in de signaalverbindingen (er loopt geen stroom) en je, in de toekomst, veel makkelijker met optische verbindingen naar buiten kunt praten.

Verder ben ik wel benieuwd welke golflengtes deze laser kan produceren. Als dat een redelijk breed gebied is (IR tot zichtbaar/UV) dan zullen veel telecom-bedrijven er hard om springen. Voor show-toepassingen is het misschien minder handig, alleen als zoiets ook in grote vermogens (enkele Watts) te maken is.

Maar 1/3 sneller is in mjn ogen niet IETS sneller. Dat is veel sneller, de helft sneller zelfs.

[Reactie gewijzigd door DarkTemple op 3 september 2009 08:29]

En niet te vergeten dat de snelheid van het licht eraan kan bijdragen dat de latency tussen de verschillende koppelingen teruggedrongen kan worden wat weer snelheidswinst oplevert.

Licht zal inderdaad sneller zijn dan een koperen lijn aangezien je geen parasitaire capaciteiten hoeft op te laden (heeft weinig met de propegatiesnelheid van velden te maken maar meer met de lading die verplaatst moet worden, zoals Stoney3K hierboven al beschrijft). Kleinere banen betekent trouwens niet per direct kleinere capaciteiten, omdat de afstand tussen de banen ook kleiner wordt, en daarmee de capaciteit groter (C=epsilon*W*l/d, met d de afstand tussen de banen, w de breedte en l de lengte). Daarnaast wordt de weerstand hoger (R=rho*l/A, l de lengte A de doorsnede van de lijn) en neemt de totale lengte van interconnects alleen maar toe doordat er steeds meer transistoren bijkomen (momenteel is de lengte zo'n 2000 m/cm2).

Het grootste probleem met optische schakelingen is de conversie van een elektrisch signaal naar een optische, aangezien optische transistoren nog wel even op zich laten wachten. De huidige delays van deze omzetters zijn nog zo hoog dat ze equivalent zijn aan een koperen lijn van enkele honderden micrometer. Dat maakt het allemaal een stuk minder interessant.

Wat wel mooi is van deze laser is dat hij gemaakt kan worden zonder dat er exotische halfgeleider materialen zoals GaAs nodig zijn, wat normaal voor optische schakelingen wordt gebruikt. Dat soort materialen in een wafer van Si brengen is namelijk nogal lastig.

Niet alleen de snelheid van het licht, maar ook de afwezigheid van magnetische velden. Het opbouwen en afbreken van die velden kost de elektrische signalen erg veel tijd. Licht heeft daar geen last van.

licht of elektronen snelheid is praktisch hetzelfde.
De schakelsnelheid kan wel hoger, door dat je niet met electrische effecten te maken hebt.

wat zitten we hier toch allemaal heel erg relatief te denken hé, niet vergeten!!
@ T-men: erg veel tijd = nog altijd zeer snel

ja, je slaat de nagel op de kop, dat is precies de toepassing waarvoor het gebruikt zal worden, verbindingen in een processor, van processor naar ram etc, alles wat het transport van data inhoudt zal vervangen worden door photonica.

Op deze schaal kun je dus zelfs denken aan toepassing op optische processors.

In theorie kan een laser zoals deze een schijf met hogere datadichtheid lezen, maar of dat in praktijk (met een echte draaiende schijf) ook zo is ? Sowieso duurt het nog even voor technologie als deze (nog kan) mainstream worden. Ik denk eerlijk gezegd dat BluRay de laatste generatie optische media zal worden - multi layer kan het nog veel meer opslagcapaciteit bevatten als nu "gewoon" is voor bv. een film.

Daarna zal alles via internet gaan en dus via hardeschijven.

[Reactie gewijzigd door Kosty op 2 september 2009 17:47]

Nou het is wat te hard op de zaken vooruitlopen dat er met dit soort lasers op media geschreven kan worden. Zolang er niet op deze schaal data weggeschreven kan worden is het nog wat minder praktisch als opslagmedium.

SSD's, wel te verstaan.
De harde schijf heeft zijn beste tijd inmiddels ook we; gehad.

Of de resonerende harde schijven. Als die goede drivers hebben (lees: drivers die niet falen) dan zijn ze niet te stoppen! Dan kunnen ze in theorie de hele schijf uitlezen in een paar resonaties.

Oh ik wil er zo graag een

Heftig
Hoe zit dat ineen?

Ja, heb je meer info?

Een Compact Disc systeem, een glasvezelcommunicatie systeem, optische radar,een lasersysteem voor materiaalbewerking, Voorbeelden van systemen waarbij meerdere vakdisciplines op een geavanceerde manier zijn toegepast. Het gemeenschappelijke
in al deze systemen is het gebruik van lichtdeeltjes (fotonen) als informatie-drager. In analogie met het begrip electronica wordt daarom in toenemende mate gebruik gemaakt van de naam Fotonica. De fotonica biedt op vele vakgebieden oplossingen die te wijten zijn aan de unieke eigenschappen van fotonen. Deze bezitten bepaalde eigenschappen waardoor binnen een groot aantal uiteenlopende vakgebieden systemen gebouwd kunnen worden die een technisch probleem op unieke wijze oplossen
Een van deze toepassingen is in het topic omschreven. De belangrijkste eigenschappen van fotonen waarvan gebruik gemaakt wordt zijn,
Fotonen hebben geen onderlinge interactie waardoor hoge energiedichtheden
kunnen worden bereikt.
Deze hebben een zeer hoge elektromagnetische frekwentie waardoor grote
hoeveelheden informatie getransporteerd kunnen worden.
Kunnen hele specifieke chemische reacties veroorzaken
Kunnen specifieke interactie met objecten aangaan zonder dat dit veranderingen
van het meetobject veroorzaakt
Zijn eenvoudig transporteerbaar door vacuüm, lucht en glas.
De toepassing van deze bijzondere eigenschappen bij signaalverwerking
Omdat etektronen een elektrische lading hebben is er een sterke interactie tussen
elektronen onderling en met andere geladen deeltjes. Fotonen hebben geen onderlinge interactie en een zwakke interactie met andere deeltjes.
Voor signaalverwerking wordt daarom ook veelal de electronica toegepast.
Tijdens detectie wordt het optisch signaal dan omgezet in een electronisch analoog of digitaal) signaal. Bewerkingen die nodig zijn voor interpretatie van het signaal zoals demodulatie, beeldbewerkingstechnieken volgen dan in hei:electronische domein
Voor signaalbewerking in het optische of chemische domein moet men denken aan de talloze fotografische technieken die in de techniek, bijvoorbeeld bij electronische chipfabricage, nog volop worden toegepast. Door toepassing van niet-lineaire optische
materiaal eigenschappen kan een digitale optische processor worden ontwikkeld. In
combinatie met een optisch parallel schakelsysteem kan dit een optische computer
opleveren met een aanzienlijk hogere processing vermogen dan de huidige electronische
computers. De toepassingen zijn legio. De fotonica is dan ook een snel groeiend vakgebied dat door de ge’industrialiseerde landen van groot strategisch commercieel en militair belang wordt geacht. De toekomst voor de fotonica ziet er dan ook helder uit.

Tijdens detectie wordt het optisch signaal dan omgezet in een electronisch analoog of digitaal) signaal.

En dat vraag ik me dan op mijn beurt weer af..
Is het dan niet zo dat juist het omzetten van het optisch signaal naar een elektronisch signaal (hetzij analoog of digitaal) een bottleneck kan gaan worden?!
Want dat neemt ook tijd in beslag toch? of is dit toch te verwaarlozen?!

Als je teksten overneemt is het misschien wel zo fijn om aan bronvermelding te doen. Anders is het namelijk simpelweg plagiaat.

Fotonica; werken met licht
J. W. Burgmeijer (PTT Research, Leidschendam)
Th. J. M. Jongeling (DSM Research, Geleen)

NTvF, Augustus 1992

http://dspe.nl/files/199204008.pdf


(lekker recente bron ook dus)

[Reactie gewijzigd door Eskimo0O0o op 3 september 2009 12:04]

Met optische computers bedoelen ze waarschijnlijk het zover mogelijk uitbannen van de electron in de pc, in plaats van alleen maar electronische componenten verbinden. CPU met lichtsluizen, mischien wel geheugen dat d.m.v licht tot stand kan worden gebracht, etc.

Met het perfecte ontwerp van zo'n optische computer zal de cpu kracht waarschijnlijk een paar machten verdubbellen t.o.v. wat we nu kunnen met electra.

Hardeschijven, geluidskaarten (optische buitengesloten), utp/wifi netwerkkaarten, kom je natuurlijk niet onderuit dat ze electronisch zullen moeten zijn.

[Reactie gewijzigd door Engineer op 2 september 2009 20:05]

Zhang, a professor of mechanical engineering, and his research team took a novel approach to stem the loss of light energy by pairing a cadmium sulfide nanowire - 1,000 times thinner than a human hair - with a silver surface separated by an insulating gap of only 5 nanometers, the size of a single protein molecule. In this structure, the gap region stores light within an area 20 times smaller than its wavelength. Because light energy is largely stored in this tiny non-metallic gap, loss is significantly diminished.

Dus de uitgezonden golflengte is 20 * 5 nm = 100 nm? Dat is niets bijzonders.

Laserlicht, en alle elektromagnetische straling, kan in principe niet worden gefocused op een punt dat dichterbij ligt dan de helft van de gebruikte golflengte.

Klopt, maar als deze laser 100 nm-straling uitzendt is dit verhaal amper relevant voor dit nieuwsbericht. Als de golflengte van deze laser niet bijzonder klein is, maar alleen de laser zelf bijzonder klein is (een essentieel verschil!) dan is deze zin en de alinea waar hij in staat misleidend: hij wekt de indruk dat ook de golflengte aanzienlijk verbeterd is.

Hooguit is de kanttekening zinnig dat met een nog kleinere laser misschien de golflengte van het uitgezonden licht wél bijzonder klein zou kunnen worden ... afhankelijk van hoe de techniek hier precies werkt (hoeft niet te gelden natuurlijk).

Of lees ik ergens overheen?

[Reactie gewijzigd door Ravek op 2 september 2009 21:52]

Ik zie in het plaatje cadmium (-sulfide) staan, maar laat cadmium nou net niet RoHS compliant zijn. Wat is het antwoord hierop?

[@LYNXS: opbouwende kritiek modus]

De toekomst voor de fotonica ziet er dan ook helder uit.

Als ik eerlijk ben kan ik dat van je post niet echt zeggen. Iets minder van de ENTER knop gebruik maken mag wel, en af en toe eens een lege regel of alinea invoegen/maken is ook geen zonde. Wordt het een stuk overzichtelijker van denk ik.

[/@ LYNXS: opbouwende kritiek modus]

Ik neem aan dat het vermogen hiervan ook op nanoschaal ligt.
In hoeverre zou het mogelijk zijn om dit soort nanolaser modules te bundelen tot 1 krachtigere straal (lees: destructo-beam achtig iets )? Of staat de amplitude van de straal daar weer los van?

[Reactie gewijzigd door Martin-S op 2 september 2009 18:25]

Ik denk dat de beperkende factor daar onder andere de grotere vermogensdichtheden op nano-schaal (Watts per vierkante nanometer) en het afvoeren van de rest-energie (warmte) gaan worden.

Meerdere lasers samenkoppelen kan overigens hier een prima oplossing zijn, als ze dat al met een aantal 100'en mW weten te doen op een chip die even groot is als de diodes tegenwoordig, dan kun je zoiets goed inzetten in showlasers en TV/bioscoop projectoren, of eventueel in holografie.