請遺忘為光運算而試圖將雷射整合到矽晶片的想法,，并替電信發(fā)射紅外線訊號改用奈米修補電漿天線(Nanopatch Plasmonic Antenna,，NPA),，現(xiàn)在速度高達90GHz的NPA，也許明天就可以達到Terahertz(THz),。
“我們希望可以加快發(fā)射速率，以建立一個超快且超高亮度的發(fā)光二極體(LED),?！倍趴舜髮W(Duke University)助理教授Maiken Mikkelsen說，這將涉及使用導電材料來產(chǎn)生電流到量子點(Quantum Dot,，QD),，以從相同的電漿架構(gòu)創(chuàng)造更強的發(fā)射?！把b置有可能在非常低的功率位準下運作—在很少的阿焦耳(Attojoules,，AJ)(編按：AJ是一種能源的計算單位,，1AJ等于6.241506363 伏特)—這是未來轉(zhuǎn)換訊息處理和通訊的關(guān)鍵，不過目前受限于散熱問題,?！盡ikkelsen表示。
整個半導體產(chǎn)業(yè)一直試圖進行從電子到光子的轉(zhuǎn)換,，以作為矽晶片上的計算訊號介質(zhì),，除了射極之外，每一種矽光子元件都已被驗證,。不幸的是,，雷射—標準的通訊射極—與矽不相容，雖然有上千種方法正被研究中,，以解決這個問題?，F(xiàn)在杜克大學電子工程師說，忘了雷射,，并使用他們的NPA耦合到量子點以在晶片上連結(jié)到90GHz和更高頻率,，或在他們之間以超過50%的輻射量子效率。
圖片顯示一個NPA(銀色方塊),，在其上方有個金屬基板(金色)用以分離一個聚合物(未標示)與膠體量子點(QD,，紅色)。
杜克大學Maiken Mikkelsen的團隊在“采用電將奈米天線的超快自發(fā)輻射源(Ultrafast spontaneous emission source using plasmonic nano-antennas)”一文提到,，傳統(tǒng)射極如分子,、量子點和半導體量子井(Well)有1~10奈秒(ns)壽命的緩慢自發(fā)輻射，創(chuàng)造一個和高速奈米光電元件的不匹配,，就如LED,、單光子源和雷射。在這里,，我們透過實驗證明一個超快(小于11皮秒)的自發(fā)輻射有效來源,，其相應(yīng)的發(fā)射率超過90GHz。
為了實現(xiàn)他們的高速交換率,，研究人員利用電漿(在一個波形上共振的表面自由電子)作為奈米天線,，該天線由一個銀奈米立方體耦合到一個金屬薄膜(20個原子的薄度)組成，并利用薄型聚合物隔離層和量子點膠體核心外殼以隔離基板,。這種結(jié)構(gòu)增加了自發(fā)輻射率,，自發(fā)輻射率提高880倍時，可增強的螢光強度,；提升到2,300倍時,，可保持高效率。
博士后研究生Gleb Akselrod(左)和Thang Hoang(右)在Maiken Mikkelsen(中)的實驗室，檢查他們的NPA耦合到量子點的情況,。
“我們已經(jīng)從一個由電漿奈米天線耦合到膠體量子點的混和系統(tǒng),，證明發(fā)射速度超過11皮秒的超快自發(fā)輻射源?！盡ikkelsen和同事在他們的研究報告中說,。
一個額外的好處是，透過控制奈米立方體的尺寸和絕緣電介質(zhì)的間隙厚度,，輻射頻率可以調(diào)諧到現(xiàn)今所使用的電信頻率,。加上NPA耦合到他們的量子點并運作時，所需的電力比雷射還要低,，并允許光晶片可在更低的溫度運作,，從而使行動裝置有更長的電池續(xù)航力。
NPA(藍色)和量子點(紅色)耦合的穿透式電子顯微鏡(TEM)影像,。
未來,。研究人員希望光學地與電氣地激發(fā)電漿奈米天線，便讓這兩種方式可以進一步解決最后障礙,，以在傳統(tǒng)電子裝置中整合光子學,。研究小組還希望能夠更精準地放置量子點，以便促使螢光率能更接近THz的范圍,。
本研究的資金是由空軍辦公室的科學研究青年基金計劃(Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program,，AFSOR YIP)、AFSOR,、橡樹嶺聯(lián)合大學(Oak Ridge Associated University,，ORAU)的Ralph E. Powe青年學院提升獎(Junior Faculty Enhancement Award)、北加州貴族基金會(Lord Foundation of North Carolina),，以及情報界博士后研究獎學金計畫(Intelligence Community Postdoctoral Research Fellowship Program)共同贊助。