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La prima nanomacchina guidata dalla luce
Dagli anni '80, i ricercatori hanno utilizzato i laser per fermare le vibrazioni molecolari, in modo che le molecole possano essere osservate nel loro ambiente naturale. Ora i ricercatori della Yale University hanno utilizzato lo stesso tipo di forza ottica su nanoscala per controllare un circuito integrato. Il loro dispositivo potrebbe costituire la base di chip ottici veloci e a bassa potenza, proprio come i transistor sono gli elementi costitutivi dei circuiti elettronici di oggi. Il nuovo dispositivo, un nanorisonatore guidato dalla luce, potrebbe essere utilizzato anche come rivelatore chimico estremamente sensibile. Il lavoro è un importante punto di riferimento nell'unire le forze meccaniche e ottiche su scala nanometrica.
Potenza del fotone: Questo circuito fotonico include un nuovo risonatore nanomeccanico guidato dalla luce. Nella foto nell'immagine al microscopio elettronico a scansione inserita, questo raggio di silicio su nanoscala oscilla quando la luce laser lo colpisce, modulando il segnale luminoso trasportato attraverso il circuito.
I chip che utilizzano la luce invece degli elettroni per trasportare i dati dovrebbero essere più veloci e consumare meno energia rispetto ai circuiti integrati tradizionali. Ma finora anche i chip ottici più veloci hanno incorporato elementi elettrici chiamati modulatori. Questi modulatori codificano la luce con i dati convertendo il segnale dalla luce in elettroni e viceversa. Questo passaggio aggiuntivo rende i chip ottici complessi e consuma energia. Un circuito sviluppato dai ricercatori di Yale guidati dal professore di ingegneria elettrica Hong Tang incorpora un modulatore guidato dalla luce, non dagli elettroni.
Il gruppo Yale ha iniziato il suo lavoro creando un chip ottico in silicio. Per realizzare il modulatore, hanno inciso una piccola porzione della guida d'onda, la sottile strada di silicio lungo la quale viaggiano i fotoni, in una barra larga 500 nanometri. Questo raggio di silicio, sospeso alla superficie del chip in modo che possa flettersi, ha due funzioni. Trasporta il segnale ottico e lo modula. Tang e i suoi colleghi hanno inviato un segnale luminoso attraverso il circuito integrato, quindi hanno puntato la luce laser sul modulatore nano-ottico, facendolo oscillare su e giù. Queste oscillazioni modulano la velocità della luce che viaggia attraverso il raggio.
Il team di Yale è il primo a dimostrare l'esistenza di questa forza ottica su un circuito integrato e il primo a sfruttarla per realizzare un dispositivo funzionante. La forza della luce può essere utilizzata concretamente, afferma Tang. Il suo gruppo ha anche dimostrato di poter creare array di centinaia di risonatori funzionanti su un singolo chip.
Le pinzette ottiche sono state molto utili per manipolare oggetti in nanoscala fluttuanti in soluzione, ma sono molto complesse e richiedono un laser ad alta potenza e un intero banco da lavoro. Sebbene richieda ancora l'input da un laser non ancora integrato nel chip, la configurazione di Yale è più semplice di quella richiesta per le pinzette ottiche.
Descritto nel diario Natura , il circuito di Yale rappresenta una svolta tecnica, afferma il professore di ingegneria meccanica della Columbia University James Hone . Apre un nuovo modo di realizzare interruttori optomeccanici in grado di reindirizzare un segnale ottico utilizzando un altro. Hone afferma che tali dispositivi potrebbero essere gli elementi costitutivi dei circuiti ottici. Adam Cohen , un professore di chimica, biologia chimica e fisica ad Harvard, è d'accordo, purché la realizzazione di questi dispositivi si dimostri compatibile con l'elaborazione standard dei semiconduttori. L'approccio tradizionale, che prevede la conversione del segnale ottico in uno elettrico e viceversa, rallenta le cose ed è più complicato, afferma Cohen.
Poiché l'oscillazione meccanica del raggio cambia il modo in cui la luce scorre attraverso di esso in modo misurabile, i raggi potrebbero essere sviluppati in sensori chimici molto sensibili, afferma Hone. Il gruppo di Yale non ha dimostrato un sensore chimico. In teoria, tuttavia, gli array degli oscillatori di silicio su chip potrebbero essere decorati con anticorpi che legano le proteine del sangue caratteristiche di malattie come il cancro. Se un campione di sangue posizionato sul chip contenesse una piccola quantità della proteina, si legherebbe al raggio di silicio, modificando la frequenza delle sue oscillazioni e provocando così un cambiamento misurabile nella velocità della luce trasportata attraverso di esso. Altri sensori su nanoscala funzionano secondo un principio simile, rilevando differenze nel flusso di corrente elettrica attraverso fasci di silicio oscillanti o nanotubi di carbonio quando si legano alle molecole di interesse. I risonatori ottici potrebbero essere ancora più sensibili, afferma Hone, perché i dispositivi ottici si comportano meglio, fornendo segnali più chiari rispetto ai dispositivi elettrici.
Tuttavia, tali applicazioni sono distanti molti anni. Il dispositivo è ancora in fase di sviluppo iniziale nel laboratorio di Tang, dove il suo gruppo sta perfezionando le sue proprietà meccaniche.