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Nano antenas para transferencia de datos: podrían permitir que los núcleos del procesador intercambien datos a la velocidad de la luz


Que haya luz, y era direccional: la primera antena Yagi-Uda eléctrica del mundo se construyó en el Departamento de Física de la Universidad de Würzburg. Crédito: Departamento de Física / JMU

Por primera vez, los físicos de la Universidad de Würzburg han convertido con éxito señales eléctricas en fotones y las han irradiado en direcciones específicas utilizando una antena óptica de baja huella que solo tiene un tamaño de 800 nanómetros.

Las antenas direccionales convierten las señales eléctricas en ondas de radio y las emiten en una dirección particular, lo que permite un mayor rendimiento y una menor interferencia. Este principio, que es útil en la tecnología de ondas de radio, también podría resultar interesante para fuentes de luz miniaturizadas. Después de todo, casi todas las comunicaciones basadas en Internet utilizan comunicaciones de luz óptica. Las antenas direccionales para la luz podrían usarse para intercambiar datos entre diferentes núcleos de procesador con poca pérdida y a la velocidad de la luz. Para permitir que las antenas funcionen con longitudes de onda muy cortas de luz visible, dichas antenas direccionales deben reducirse a una escala nanométrica.

Los físicos de Würzburg han sentado las bases de esta tecnología en una publicación pionera: En la revista Comunicaciones de la naturaleza, describen por primera vez cómo generar luz infrarroja dirigida utilizando una antena Yagi-Uda accionada eléctricamente hecha de oro. La antena fue desarrollada por el grupo de trabajo de nanoóptica del profesor Bert Hecht, quien ocupa la Cátedra de Física Experimental 5 en la Universidad de Würzburg. El nombre “Yagi-Uda” se deriva de los dos investigadores japoneses, Hidetsugu Yagi y Shintaro Uda, quienes inventaron la antena en la década de 1920.

Aplicación de las leyes de la tecnología de antenas ópticas

¿Cómo se ve una antena Yagi-Uda para luz? “Básicamente, funciona de la misma forma que sus hermanos mayores para las ondas de radio”, explica el Dr. René Kullock, miembro del equipo de nanoóptica. Se aplica un voltaje de CA que hace que los electrones del metal vibren y, como resultado, las antenas irradien ondas electromagnéticas. “En el caso de una antena Yagi-Uda, sin embargo, esto no ocurre de manera uniforme en todas las direcciones, sino a través de la superposición selectiva de las ondas radiadas utilizando elementos especiales, los llamados reflectores y directores”, dice Kullock. “Esto da como resultado una interferencia constructiva en una dirección y una interferencia destructiva en todas las demás”. En consecuencia, tal antena solo podría recibir luz proveniente de la misma dirección cuando se opera como receptor.

Aplicar las leyes de la tecnología de antenas a antenas de escala nanométrica que irradian luz es un desafío técnico. Hace algún tiempo, los físicos de Würzburg ya pudieron demostrar que el principio de una antena de luz accionada eléctricamente funciona. Pero para hacer una antena Yagi-Uda relativamente compleja, tuvieron que pensar en algunas ideas nuevas. Al final, lo consiguieron gracias a una sofisticada técnica de producción: “Bombardeamos oro con iones de galio que nos permitieron cortar la forma de la antena con todos los reflectores y directores, así como los cables de conexión necesarios de cristales de oro de alta pureza con gran precisión. ”, Explica Bert Hecht.

En un siguiente paso, los físicos colocaron una nanopartícula de oro en el elemento activo de modo que toque un cable del elemento activo mientras mantiene una distancia de solo un nanómetro al otro cable. “Esta brecha es tan estrecha que los electrones pueden cruzarla cuando se aplica voltaje mediante un proceso conocido como túnel cuántico”, explica Kullock. Este movimiento de carga genera vibraciones con frecuencias ópticas en la antena que se emiten en una dirección específica gracias a la disposición especial de los reflectores y directores.

La precisión depende del número de directores

Los investigadores de Würzburg están fascinados por la propiedad inusual de su nueva antena que irradia luz en una dirección particular aunque es muy pequeña. Como en sus “contrapartes más grandes”, las antenas de ondas de radio, el direccional precisión La emisión de luz de la nueva antena óptica está determinada por el número de elementos de antena. “Esto nos ha permitido construir la fuente de luz eléctrica más pequeña del mundo hasta la fecha, capaz de emitir luz en una dirección específica”, detalla Hecht.

Sin embargo, aún queda mucho trabajo por hacer antes de que la nueva invención esté lista para ser utilizada en la práctica. En primer lugar, los físicos deben trabajar en la contraparte que recibe señales luminosas. En segundo lugar, deben impulsar la eficiencia y la estabilidad.

Referencia: “Antenas de luz Yagi-Uda accionadas eléctricamente” por René Kullock, Maximilian Ochs, Philipp Grimm, Monika Emmerling y Bert Hecht, 8 de enero de 2020, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-019-14011-6



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