請遺忘為光運(yùn)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(bǔ)電漿天線(Nanopatch Plasmonic Antenna，NPA)，現(xiàn)在速度高達(dá)90GHz的NPA，也許明天就可以達(dá)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)。”杜克大學(xué)(Duke University)助理教授Maiken Mikkelsen說，這將涉及使用導(dǎo)電材料來產(chǎn)生電流到量子點(diǎn)(Quantum Dot，QD)，以從相同的電漿架構(gòu)創(chuàng)造更強(qiáng)的發(fā)射。“裝置有可能在非常低的功率位準(zhǔn)下運(yùn)作—在很少的阿焦耳(Attojoules，AJ)(編按：AJ是一種能源的計(jì)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。”Mikkelsen表示。
整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一直試圖進(jìn)行從電子到光子的轉(zhuǎn)換，以作為矽晶片上的計(jì)算訊號介質(zhì)，除了射極之外，每一種矽光子元件都已被驗(yàn)證。不幸的是，雷射—標(biāo)準(zhǔn)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。現(xiàn)在杜克大學(xué)電子工程師說，忘了雷射，并使用他們的NPA耦合到量子點(diǎn)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(biāo)示)與膠體量子點(diǎn)(QD，紅色)。
杜克大學(xué)Maiken Mikkelsen的團(tuán)隊(duì)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(diǎn)和半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(diǎn)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(qiáng)的螢光強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室，檢查他們的NPA耦合到量子點(diǎn)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(diǎn)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。”Mikkelsen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(diǎn)并運(yùn)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(yùn)作，從而使行動裝置有更長的電池續(xù)航力。
NPA(藍(lán)色)和量子點(diǎn)(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(xué)地與電氣地激發(fā)電漿奈米天線，便讓這兩種方式可以進(jìn)一步解決最后障礙，以在傳統(tǒng)電子裝置中整合光子學(xué)。研究小組還希望能夠更精準(zhǔn)地放置量子點(diǎn)，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(xué)研究青年基金計(jì)劃(Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program，AFSOR YIP)、AFSOR、橡樹嶺聯(lián)合大學(xué)(Oak Ridge Associated University，ORAU)的Ralph E. Powe青年學(xué)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(xué)金計(jì)畫(Intelligence Community Postdoctoral Research Fellowship Program)共同贊助。