In einer aktuellen StudiePhysiker der Chalmers University of Technology in Schweden haben herausgefunden, warum lichtbasierte Technologien „Geschwindigkeitsbegrenzungen“ unterliegen, die es optischen Schaltern unmöglich machen, Informationen über eine bestimmte Geschwindigkeit hinaus zu übertragen.

Im Bemühen, Technologien immer effizienter zu machen, haben Ingenieure nach Möglichkeiten gesucht, Licht statt Elektrizität zur Darstellung und zum Transport von Informationen zu nutzen.

Während die Elektronik die Entwicklung bemerkenswert leistungsfähiger Computer ermöglichte, beginnen wir zu erkennen, dass die Verwendung von Elektrizität als Grundlage für unsere Technologien Beschränkungen unterliegt. Das heißt, wir können unsere Mikrochips nur so klein machen, und die Geschwindigkeit, mit der Metalldrähte Informationen übertragen können, ist begrenzt.

Optische Computer - oder Computer, die Photonen anstelle von Elektronen verwenden - bieten eine ermutigende Alternative. Einige glauben, dass optische Technologien die Zukunft sind. Sie könnten viel schneller und energieeffizienter sein und sogar mehr Informationen speichern.

Um diesen Traum Wirklichkeit werden zu lassen, müssen die Optikingenieure jedoch einen Weg finden, Einschränkungen bei der Lichtsteuerung zu überwinden.

Alle Technologien, die Licht verarbeiten, von visuellen Anzeigen auf Mobiltelefonen und Fernsehgeräten bis hin zu optischen Kabeln, erfordern die Verwendung optischer Schalter. Optische Schalter werden verwendet, um die Farbe oder Intensität des Lichts zu ändern, das Informationen mit hohen Raten kommuniziert - bis zu 100 Milliarden Mal in einer Sekunde im Internetverkehr.

Dies ist unbestreitbar schnell, aber immer noch nicht schnell genug, um mit herkömmlichen elektronischen Transistoren zu konkurrieren.

"Gegenwärtig transportieren optische Kabel Informationen über große Entfernungen, aber die Verarbeitung der Informationen erfolgt immer noch durch Umwandlung von Licht in elektronische Signale, die von elektronischen Transistoren verarbeitet werden", sagte er Sophie Viaene, ein Nanophotonikforscher am Department of Physics in Chalmers und Hauptautor der Studie.

"Wenn optische Schalter so schnell, energieeffizient und kompakt wie elektronische Transistoren werden, könnten Informationen transportiert und verarbeitet werden, ohne dass sie in elektrische Signale umgewandelt werden müssen."

Um diese Geschwindigkeitsbegrenzung zu überwinden, haben die Optikingenieure kürzlich künstliche Spezialmaterialien entwickelt, die als optomechanische Metamaterialien bekannt sind. Diese speziellen Materialien sollen die Beschränkungen überwinden, denen natürliche Materialien unterliegen.

"Eine optomechanische Metaoberfläche besteht aus vielen elastischen Elementen, deren mechanische Konfiguration bestimmt, wie Licht verarbeitet wird", sagte Viaene.

„Die Eigenschaften einer solchen Metaoberfläche können mit einem externen optischen Strahl gesteuert werden, der eine optische Kraft ausübt, die die Konfiguration der Elemente auf der Oberfläche ändert. Insbesondere durch Ändern der Leistung des optischen Strahls erfährt die Metaoberfläche unterschiedliche optische Kräfte und wechselt von einem Zustand in einen anderen. Da ein optischer Strahl eine Welle mit einer hohen Oszillationsfrequenz ist, wollten die Forscher optomechanische Metaoberflächen zum schnellen Schalten verwenden. “

Trotz großer Hoffnungen können optomechanische Metamaterialien diese Geschwindigkeitsbegrenzungen immer noch nicht überschreiten und haben die existierende, auf Elektronen basierende Technologie noch nicht übertroffen.

"Es stellt sich heraus, dass ein schnelles Umschalten nicht möglich ist, da die Wechselwirkung zwischen den elastischen Elementen und dem optischen Strahl nicht linear ist, so dass das System für bestimmte Konfigurationen sehr langsam ist", fuhr Viaene fort.

Viaene wollte genau verstehen, warum optische Schalter, auch solche, die auf optomechanischen Metamaterialien basieren, diese Geschwindigkeitsgrenzen nicht überschreiten konnten. Um dies zu tun, untersuchte Viaene die nichtlineare Dynamik der Metasurface-Elemente unter dem Einfluss einer optischen Kraft.

Um die Geschwindigkeit optischer Schalter zu bestimmen, muss man wissen, wie schnell sich die elastischen Elemente auf der Metasurface von einer Konfiguration zur anderen bewegen. In diesem Fall wird die Kraft auf die elastischen Elemente stark durch die Konfiguration des Elements bestimmt. Mit anderen Worten, die Dynamik zwischen den elastischen Elementen und dem optischen Strahl ist nichtlinear.

Die Forscher fanden heraus, dass die nichtlineare Dynamik, die zu seltsamen Phänomenen wie kritischer Verlangsamung für Konfigurationen mit niedrigen Kräften führt, eine wichtige Rolle bei der Begrenzung der Geschwindigkeit optomechanischer Schalter spielt.

Sie zogen zwei wichtige Schlussfolgerungen.

"Erstens leidet der optische Schalter unter einer kritischen Verlangsamung in Bereichen, die als günstig für das Umschalten angesehen wurden", sagte Viaene.

"Zweitens gibt es eine grundlegende Geschwindigkeitsbegrenzung, die für alle Frequenzen des optischen Strahls gilt, wodurch verhindert wird, dass die Metaoberflächen schneller sind als die Schaltgeschwindigkeit elektronischer Transistoren."

Im Endeffekt bedeutet dies, dass optomechanische Metaoberflächen, wie sie derzeit entworfen wurden, für Hochgeschwindigkeitsschalter nicht von großem Nutzen sind. Sie sind einfach nicht in der Lage, diese Geschwindigkeitsbegrenzungen zu überschreiten.

Dies ist zwar kein gutes Zeichen für diejenigen, die hoffen, dass eines Tages optische Computer Realität werden, bedeutet jedoch nicht, dass optomechanische Metaoberflächen völlig unbrauchbar sind.

Viaene sagte, dass sie in Technologien, die keine Hochgeschwindigkeitsschalter erfordern, wie der optischen Wearable-Technologie wie Smartwatches und Google Glass, immer noch sehr nützlich sein können. Diese Materialien sind dünn und können flexibel sein, was sie möglicherweise nützlicher macht als Elektronik.

Die Studie kann auch zu neuen Designansätzen führen, die die Geschwindigkeitsbegrenzungen überwinden können.

"Eine Möglichkeit besteht darin, nur ein Teilchen anstelle einer ganzen Oberfläche zu manipulieren, damit die Wechselwirkung mit Licht effizienter gesteuert wird", sagte Viaene.

"Eine andere Möglichkeit ist, die Metamaterialelemente kontinuierlich mit einer festen Geschwindigkeit bewegen zu lassen und Variationen dieser Bewegung aufzuzeichnen."

Das Papier mit der Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Physics Review Letters.

Das Forschungsteam auch enthalten Philippe Tassin, ein Associate Professor für Physik in Chalmers, und Vincent Ginis machen Jan Danckaert von der Vrije Universiteit Brussel und der Harvard University.