Moskovan fysiikan ja tekniikan instituutin (MIPT) ja King's College Londonin tutkijat ovat onnistuneet kehittämään nanolaserin, joka lupaa tuoda optiset yhteydet integroitujen piirien sisälle. Nanophotonics-lehdessä raportoitu lähestymistapa mahdollistaa koherentin valonlähteen suunnittelun pienemmäksi kuin laserin lähettämän valon aallonpituus. Tämä luo perustan ultranopealle optiselle tiedonsiirrolle mikroprosessoreissa.
Valosignaalit mullistivat tietotekniikan 1980-luvulla, kun optiset kuidut alkoivat korvata kuparijohtoja, mikä nopeutti tiedonsiirtoa. Koska optinen tiedonsiirto perustuu valoon - sähkömagneettisiin aaltoihin, joiden taajuus on useita satoja terahertsejä – sen avulla voidaan siirtää teratavu dataa sekunnissa yhden kuidun kautta, joka ylittää huomattavasti sähköisten liitäntöjen kapasiteetin.
Supertietokoneiden, työasemien, älypuhelinten ja muiden laitteiden mikroprosessoreissa optiset yhteydet voisivat tuoda merkittävästi lisää nopeutta, kun ne kytkevät elektronisia komponentteja toisiinsa. Tämän seurauksena valtavia määriä tietoa voitaisiin siirtää piirin sisällä käytännössä reaaliajassa.
Jos mikropiirillä olisi tuhat prosessoriydintä, se olisi sata kertaa nopeampi kuin tämän hetken tyypillinen 10-ytiminen suoritin. Tämä puolestaan mahdollistaisi todellisen supertietokoneen suunnittelun yhdelle sirulle. Haasteena on yhdistää optiikka ja elektroniikka nanomittakaavassa. Tämän saavuttamiseksi optiset komponentit eivät voi olla suurempia kuin satoja nanometrejä, mikä on noin 100 kertaa pienempi kuin ihmisen hius. Kokorajoitus koskee myös sirulla olevia lasereita, jotka ovat tarpeen tiedon muuntamiseksi sähköisistä signaaleista optisiksi pulsseiksi, jotka kuljettavat databittejä.
Valo on sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on satoja nanometrejä. Ja kvanttiepävarmuusperiaate sanoo, että on olemassa tietty vähimmäistilavuus, johon valohiukkaset tai fotonit voidaan sijoittaa. Se ei voi olla pienempi kuin aallonpituuden kuutio. Käytännössä epävarmuusperiaate sanoo, että mikäli laser tehdään liian pieneksi, fotonit eivät sovi siihen. Tästä huolimatta on olemassa tapoja kiertää tämä optisten laitteiden koon rajoitus, joka tunnetaan diffraktiorajana. Ratkaisu on korvata fotonit pinta-plasmon-polaritoneilla.
Nämä ovat elektronien kollektiivisia värähtelyjä, jotka rajoittuvat metallin pintaan ja ovat vuorovaikutuksessa ympäröivän sähkömagneettisen kentän kanssa. Vain muutama metalli, joka tunnetaan plasmonimetalleina, sopivat polaritonien toteutukseen: kulta, hopea, kupari ja alumiini. Fotonien tapaan polaritonit ovat sähkömagneettisia aaltoja, mutta samalla taajuudella ne vievät vähemmän tilaa. Polaritonien avulla valoa voidaan "pakata", jolloin diffraktioraja voidaan ylittää.
Todella nanomittakaavan plasmolaserien suunnittelu on jo mahdollista nykyisillä tekniikoilla. Nämä nanolaserit pumpataan kuitenkin optisesti, toisin sanoen ne on valaistava suurilla ja suuritehoisilla ulkoisilla lasereilla. Tämä voi olla kätevää tieteellisissä kokeissa, mutta ei laboratorion ulkopuolella. Massatuotantoon ja tosielämän sovelluksiin tarkoitetun elektronisen sirun on sisällettävä satoja nanolasereita ja toimittava tavallisella piirilevyllä. Käytännöllinen laser on pumpattava sähköllä tai toisin sanoen sen on käytettävä tavallista akkua tai tasavirtalähdettä.
Fyysikot Moskovan fysiikan ja teknologian instituutista (MIPT) ja King's College Londonista ovat ehdottaneet vaihtoehtoista tapaa pumppujen toteutukseen. Yleensä nanolaserien sähköpumppausjärjestelmä vaatii titaanista, kromista tai vastaavasta metallista valmistetun ohmisen koskettimen. Tämän kontaktin on lisäksi oltava osa resonaattoria eli tilaa, jossa lasersäteily syntyy. Ongelma siinä on titaani ja kromi absorboivat voimakkaasti valoa, mikä vahingoittaa resonaattorin suorituskykyä. Tällaiset laserit kärsivät suuresta pumpun virrasta ja ovat alttiita ylikuumenemiselle. Siksi syntyy kryogeenisen jäähdytyksen tarve sekä kaikki siihen liittyvät haitat.
Ehdotettu uusi sähköpumppujärjestelmä perustuu kaksoisheterostruktuuriin, jossa on Schottky-diodi. Se tekee ohmisesta kontaktista metalliin tarpeettomaksi. Pumppaus tapahtuu nyt plasmonisen metallin ja puolijohteen välisen rajapinnan yli, jota pitkin polaritonit etenevät. Tutkijoiden ehdottama plasmoninen nanolaser on pienempi - kaikissa kolmessa ulottuvuudessaan - kuin sen lähettämän valon aallonpituus. Lisäksi plasmonien käyttämä tilavuus nanolaserissa on 30 kertaa pienempi kuin kuutioitu valon aallonpituus.
Nanokokoisista mitoistaan huolimatta nanolaserin ennustettu lähtöteho on yli 100 mikrowattia, mikä on verrattavissa paljon suurempiin fotonilasereihin. Tällaisen korkean lähtötehon ansiosta kutakin nanolaseria voidaan käyttää satojen gigabittien siirtämiseen sekunnissa.
Lääkintälaitteiden internet (IoMT) yhdistää diagnostiikan, puettavat anturit ja sairaalalaitteet pilvipohjaisiin järjestelmiin. Etävalvonta, reaaliaikainen data ja koneoppiminen lupaavat parempaa hoidon laatua ja kustannussäästöjä, mutta samalla ratkaistavaksi jäävät yhteentoimivuus, sääntely ja tietoturva.
