Το φως μετακινεί μικροσκοπικές συσκευές

Πηγή: PhysicsWorld, 26 Νοεμβρίου 2008

Μηχανικοί στο Πανεπιστήμιο Yale έχουν δείξει ότι η δύναμη του φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κινήσει νανομηχανές. Το αποτέλεσμα αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε οπτομηχανικές συσκευές που έχουν κατασκευαστεί από φωτονικά κυκλώματα μεγέθους λίγων νανομέτρων.

Η εργασία αυτή συνδυάζει με επιτυχία δύο σημαντικούς αναδυόμενους τομείς της έρευνας, νανοφωτονική και νανομηχανική, ενώ θα μπορούσε να κάνει δυνατή τη δημιουργία μικροσκοπικών οπτικών και μηχανικών εξαρτημάτων στο ίδιο τσιπ πυριτίου.

Φωτονικό κύκλωμα στο οποίο η δύναμη των φωτονίων τιθασεύεται  για να οδηγήσει νανομηχανές

Αν και η δύναμη που ασκείται από τα φωτόνια είναι πολύ μικρή για να γίνει αισθητή στην καθημερινή ζωή, μπορεί όμως να ενισχυθεί σημαντικά από τη συγκέντρωση του φωτός σε φωτονικά κυκλώματα νανομεγέθους.

Επειδή η ένταση φωτός είναι πολύ μεγαλύτερη όταν κατευθύνεται σε δέσμη νανοκλίμακας, οι επιστήμονες λένε ότι το φως θα είναι ένα εκατομμύριο φορές ισχυρότερη περίπου από το άμεσο ηλιακό φως.

Έως τώρα, η δύναμη του φωτός έχει χρησιμοποιηθεί μόνο για την κίνηση μικρών αντικειμένων στην τεχνική που ονομάζεται "οπτική λαβίδα". Οι ερευνητές την χρησιμοποιούν για την παγίδευση αντικειμένων μεγέθους λίγων μικρών κοντά στην εστία μιας δέσμης λέιζερ. Η τεχνική αυτή επιτρέπει σε αντικείμενα να σηκωθούν και να μετακινηθούν σε άλλη θέση, χρησιμοποιώντας μόνο φως.

Τώρα, ο Hong Tang και οι συνάδελφοι του ανέπτυξαν αυτή την ιδέα ένα βήμα παραπέρα και έδειξαν ότι οι οπτικές δυνάμεις μπορούν να αξιοποιηθούν για να μετακινήσουν μια ολόκληρη ημιαγωγική συσκευή (Nature 456 480).

Μετακίνηση νανομηχανημάτων με φως

Οι ερευνητές έδειξαν ότι, όταν πέρασε μια λεπτή δέσμη φωτός μέσα από ένα ελεύθερο να κινηθεί νανομηχανικού φωτονικού αντηχείου, που λειτουργεί και σαν κυματοδηγός για το φως, το αντηχείο στρέφεται. Η οπτική δύναμη που προκαλεί αυτή τη μετατόπιση μπορεί να μετρηθεί ως μια αλλαγή στη σύζευξη μεταξύ του συντονιστή και ενός υποκείμενου υποστρώματος. Η δύναμη (η οποία μπορεί να φθάσει και τα 8 πίκο Νιούτον ανά μικρόν και ανά milliwatt) θα ήταν αρκετά μεγάλη για να κινηθούν μηχανήματα σε νανοκλίμακα πάνω σε ένα τσιπ, λέει ο Tang.

Η οπτική δύναμη που παράγεται με τη νέα μέθοδο στην πράξη δρα κάθετα προς την κατεύθυνση της δέσμης του φωτός. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με προηγούμενα συστήματα όπου η οπτική δύναμη ήταν παράλληλη με την κατεύθυνση της διάδοσης του φωτός. Αυτό σημαίνει ότι τώρα δεν είναι πλέον απαραίτητο να διαμορφωθούν κάτοπτρα ή κάποιες κοιλότητες, οι οποίες είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ολοκληρωμένα συστήματα της κλίμακας των τσιπ. Και ακόμα δεν τελειώσαμε: η δύναμη του φωτός είναι εγγενώς γρήγορο και έτσι μπορεί να οδηγεί νανομηχανικές συσκευές σε πολύ υψηλές συχνότητες, πιθανώς δε μπορούμε να υπερβούμε το σημερινό ορόσημο των λίγων gigahertz, διευκρινίζει ο Tang.

Ο ίδιος εξήγησε ότι το μέγεθος της δύναμης που είναι περίπου το ίδιο με τις άλλες δυνάμεις που χρησιμοποιούνται συνήθως για να ενεργοποιούνται νανοσυσκευές, όπως οι ηλεκτροστατικές και μαγνητικές δυνάμεις, χωρίς όμως να είναι αναγκαία τα εξωτερικά πεδία . "Όλα αυτά προϋποθέτουν ότι θα είναι δυνατόν να αναπτυχθεί ένα πλήρες φωτονικό νανοηλεκτρομηχανικό σύστημα με ολοκληρωμένους οπτικούς αισθητήρες που θα ενεργοποιηθούν στο άμεσο μέλλον."

Ας σημειωθεί ότι όλα τα οπτικά μέσα θα απαιτούν πολύ μικρότερη ισχύ από όσο οι συσκευές που χρησιμοποιούν ηλεκτρόνια.

"Θα δημιουργηθούν εκατοντάδες συσκευές σε ένα μόνο chip, και όλα αυτά θα δουλεύουν", λέει ο Tang.

Ας σημειωθεί πως χρειάστηκαν περισσότερα από 60 χρόνια από το πρώτο τρανζίστορ για να φτάσουμε στην ταχύτητα και τη δύναμη των σημερινών υπολογιστών. Η δημιουργία συσκευών που θα τρέχουν αποκλειστικά με το φως κι όχι ηλεκτρονικά θα αρχίσει τώρα μια παρόμοια διαδικασία ανάπτυξης, σύμφωνα με τους συγγραφείς της δημοσίευσης.