Forskere fra Grundforskningscenteret NanoPhoton på DTU har udviklet en nanostruktur, som presser lyset sammen, så det bliver 10.000 gange tyndere end et menneskehår. Det er et grundvidenskabeligt gennembrud og kan blandt andet få betydning for energieffektive computere og kvanteteknologi.
Indtil for ganske nyligt var det en udbredt opfattelse blandt fysikere, at det er umuligt at presse lys sammen, så man kommer under den såkaldte diffraktionsgrænse, det vil sige til et volumen, som er mindre end halvdelen af lysets egen bølgelængde på hver led, med mindre man brugte metaller som desværre absorberer lys. Det blev vist teoretisk allerede i 2006, at denne grænse heller ikke gælder for dielektriske materialer, som har den store fordel, at de ikke absorberer lys. Imidlertid kræver det så avanceret nanoteknologi, at det hidtil ikke har været muligt at vise dette i den virkelige verden.
Nu er det så lykkedes et forskerhold fra DTU at designe og bygge en struktur, en såkaldt dielektrisk nanokavitet, der er så lille, og som samler lyset i et så koncentreret område inde i et materiale, at det er 12 gange mindre end diffraktionsgrænsen. Resultatet er banebrydende inden for forskning i lys og netop udgivet i Nature Communications.
”Selvom computerberegninger viser, at man kan koncentrere lys i et punkt, der er uendeligt småt, gælder det kun i teorien. Virkelighedens resultater er begrænset af, hvor små detaljer man fx kan lave på en mikrochip,” siger Marcus Albrechtsen, der er ph.d.-studerende ved DTU Electro og førsteforfatter til den nye videnskabelige artikel. Han fortsætter:
”Det, vi har gjort, er at programmere vores viden om virkelighedens fotoniske nanoteknologi og dens nuværende begrænsninger ind i en computer. Så beder vi computeren finde et mønster, som samler fotonerne i et hidtil uset lille område i en såkaldt nanokavitet – og som vi samtidig er i stand til at bygge i laboratoriet.”
Optiske nanokaviteter er strukturer, der er specielt designet til at holde på lyset, så det ikke udbreder sig, sådan som vi er vant til, men derimod bliver kastet frem og tilbage, på samme måde som hvis man stiller to spejle op over for hinanden. Jo tættere man stiller spejlene på hinanden, jo mere intenst bliver lyset mellem spejlene. Til dette eksperiment har forskerne designet en såkaldt butterfly-struktur, der på grund af sin særlige form er særlig effektiv til at presse fotonerne sammen.
Tværfaglig indsats og excellente metoder
Nanokaviteten er lavet af silicium, der er det dielektriske materiale, som det meste avancerede moderne teknologi er baseret på. Materialet til nanokaviteten er udviklet i de særlige renrumslaboratorier på DTU, og de mønstre, som kaviteten bygger på, er optimeret og designet med anvendelse af en unik metode, såkaldt topologi-optimering, som er udviklet af professor Ole Sigmund’s gruppe på DTU. Metoden blev oprindeligt udviklet til at designe broer og flyvinger, men bliver altså nu også brugt til nanofotoniske strukturer. (Læs mere om hvordan topologi-optimering bruges til at designe en flyvinge)
"Det har krævet en stor fælles indsats at nå dette gennembrud. Det har kun kunnet lade sig gøre, fordi vi har formået at kombinere verdensførende forskning fra flere forskergrupper på DTU"
Lektor Søren Stobbe, der har ledet forskningsarbejdet.
Vigtigt gennembrud for energieffektiv teknologi
Den nye opdagelse kan blive afgørende for udviklingen af revolutionerende ny teknologi, som kan reducere omfanget af energislugende komponenter i vores datacentre, computere, telefoner mv.
Energiforbruget til computere og datacentre bliver ved med at vokse, og der er behov for mere bæredygtige chip-arkitekturer, som bruger mindre energi. Det kan man gøre ved at erstatte de elektriske kredsløb med optiske komponenter. Forskernes vision er altså at bruge samme arbejdsdeling mellem lys og elektroner, som man bruger til internettet, hvor man bruger lys til kommunikation og elektronik til databehandling. Forskellen er bare, at begge funktionaliteter skal indbygges i én og samme chip, og det kræver, at lyset komprimeres ned til samme størrelser som de elektroniske komponenter. Det nye gennembrud på DTU viser for første gang, at det er muligt.
”Der er ingen tvivl om, at dette gennembrud er et vigtigt skridt på vejen mod at udvikle en mere energieffektiv teknologi, der kan bruges i fx nanolasere til optiske forbindelser i datacentre og fremtidige computere, men der er stadig et stykke vej endnu,” siger Marcus Albrechtsen.
I første omgang vil forskerne arbejde videre og forfine metoder og materialer i jagten på den optimale løsning.
”Nu hvor vi har teorien og metoden på plads, vil vi kunne lave mere og mere intense fotoner i takt med, at den omkringliggende teknologi udvikles. Jeg er overbevist om, at det her bare er det første af en lang række af gennembrud indenfor fysik og fotonisk nanoteknologi centreret omkring de her principper,” siger Søren Stobbe, som for nylig har modtaget den prestigefulde Consolidator Grant fra European Research Council på 14.6 mio. kr. til udvikling af en helt ny type lyskilde baseret på de nye kaviteter.
Artiklen er skrevet af Marcus Albrechtsen, Babak Vosoughi Lahijani, Rasmus Ellebæk Christiansen, Vy Thi Hoang Nguyen, Laura Nevenka Casses, Søren Engelberth Hansen, Nicolas Stenger, Ole Sigmund, Henri Jansen, Jesper Mørk, og Søren Stobbe. Forskningen er udført på DTU på tværs af institutterne DTU Electro, DTU Nanolab og DTU Construct som en del af samarbejdet i DNRF grundforskningscenteret NanoPhoton, som ledes af professor Jesper Mørk.