Optical Switch de 200 nanómetros nanoescala

Un nuevo interruptor óptico se puede encender y apagar miles de millones de veces por segundo - y es notablemente pequeño.

El dispositivo consta de conmutadores individuales que son sólo uno de cinco centésima parte del grosor de un cabello humano (200 nanómetros) de diámetro. Este tamaño es mucho menor que la actual generación de conmutadores ópticos y se rompe fácilmente uno de los principales obstáculos técnicos a la propagación de los dispositivos electrónicos que detectan y control de la luz: La miniaturización del tamaño de conmutadores ópticos ultrarrápidos.

El interruptor ultrarrápido está hecha de un material artificial diseñado para tener propiedades que no se encuentran en la naturaleza. En este caso, el "metamaterial" se compone de partículas a nanoescala de dióxido de vanadio (VO2) - un sólido cristalino que puede cambiar rápidamente de ida y vuelta entre una fase opaca, metalizada, y una fase transparente, semiconductores - que se depositan en un sustrato de vidrio y recubierto con una "nanomalla" de pequeñas nanopartículas de oro.

Los científicos informan en la revista Nano Letters que baña estas nanopartículas doradas con breves pulsos de un láser ultrarrápido genera electrones calientes en el nanomesh oro que saltar en el dióxido de vanadio y hacen que se someten a su cambio de fase en una billonésima de segundo.

"Nos habíamos desencadenado previamente esta transición en nanopartículas de dióxido de vanadio directamente con láseres y queríamos ver si podíamos hacerlo con electrones también", dice Richard Haglund, un profesor de física en la Universidad de Vanderbilt, quien dirigió el estudio. "No sólo funciona, pero la inyección de electrones calientes de las nanopartículas de oro también desencadena la transformación con una quinta a una décima parte de entrada de energía requerida por el resplandor del láser directamente sobre el desnudo VO2."

Tanto la industria como el gobierno están invirtiendo fuertemente en los esfuerzos por integrar la óptica y la electrónica, ya que se considera generalmente que es el siguiente paso en la evolución de las tecnologías de información y comunicaciones.

Intel, Hewlett-Packard e IBM han estado construyendo los chips con el aumento de la funcionalidad óptica para los últimos cinco años que operan a velocidades de gigahertz, una milésima parte del interruptor de VO2.

"Detectores de dióxido de vanadio tienen una serie de características que los hacen ideales para aplicaciones en optoelectrónica", dice Haglund.Además de su alta velocidad y su pequeño tamaño, que:

• Es totalmente compatible con la tecnología actual de circuitos integrados, ambos chips basados ​​en silicio y los nuevos materiales de "alta-K dieléctricas" que la industria de semiconductores está desarrollando para continuar con el proceso de miniaturización que ha sido un aspecto importante del desarrollo de la tecnología de la microelectrónica.
• Operar en la región visible y del infrarrojo cercano del espectro que es óptima para aplicaciones de telecomunicaciones.
• Generar una cantidad de calor por operación que es lo suficientemente bajo como para que los interruptores pueden ser embalados con fuerza suficiente para hacer que los dispositivos prácticos: unos diez billonésima de calorías (100 femtojoules) por poco.

"Sorprendentes propiedades del dióxido de vanadio se conocen desde hace más de medio siglo. . . . Es sólo en los últimos años que los estudios computacionales intensivas han iluminado la física que subyace en su transición-semiconductor-metal ", dice Haglund.

Científicos de la Universidad de Alabama-Birmingham y el Laboratorio Nacional de Los Alamos trabajaron en el proyecto. Las subvenciones de la Agencia de Reducción de Amenazas-Defensa, el Departamento de Energía, Departamento de Educación de EE.UU., y la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. ayudaron a apoyar la investigación.

Fabricando cables a escala atómica, con un ancho hasta de un átomo, y el oro como material

Colgando de un hilo de los átomos, no es tan precario como suena. Los experimentos con nanoescala "puentes" de conexión de dos trozos de metal macroscópico, al mostrar que la conexión se vuelve más rígida cuando el número de átomos en el punto más estrecho se reduce a uno. La mayor rigidez, informó de 17 de junio en Physical Review B, de acuerdo con las expectativas de que las fuerzas de superficie debe dominar sobre las otras fuerzas como el ancho de conexión, al pasa por debajo y alrededor de un nanómetro. Los investigadores también demostraron que estas constricciones estrechas pueden deformarse bajo tensión, de una manera inesperada. Seguir trabajando en esta dirección puede mostrar cómo los efectos microscópicos, se combinan para generar a gran escala las propiedades del material.

Los ingenieros están comenzando a construir dispositivos con componentes que tienen las dimensiones atómicas. Los cables de un circuito de computadora, por ejemplo, tienen alrededor de 100 átomos de ancho, y sólo se volverá más pequeños. A medida que el tamaño se reduce, los investigadores necesitan entender los cambios que acompañan en las propiedades del material, al igual que la resistencia eléctrica y resistencia mecánica.

Duras profundo Chopra y sus colegas en la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo, han estado trabajando en formas para probar los parámetros físicos en la escala atómica. Se miraron los contactos de oro pequeños, que se desarrollan en un punto de oro fuerte, o "punta", se reúnen una superficie de oro plana. Estas conexiones, que puede ser tan delgadas como un átomo, en su punto más estrecho, presentan nuevas propiedades eléctricas y mecánicas.

Para estimar el número de átomos en el lugar más estrecho, los investigadores suelen aplicar una tensión y medir la conductividad eléctrica. Los experimentos anteriores han demostrado repentinos de la baja en esta conductancia en la punta y la superficie se separan, el adelgazamiento de la unión. Estos saltos se atribuyeron a la repentina reordenamientos atómicos [ 1 ]. El equipo Chopra, decidió investigar la mecánica de estos reordenamientos como el número de átomos, es muy variada de cientos a uno. "Firmeza es clave, ya que el objetivo es empujar y tirar de un solo átomo", dice Chopra.

Los investigadores aplicaron el estrés a sus contactos de oro, por el avance y la retracción de la superficie hacia y desde la punta en incrementos de 4 picómetros. La punta estaba unida a un brazo en voladizo que mide la fuerza y ​​cualquier cambio en la duración del contacto. La relación de la fuerza para cambiar la longitud da la rigidez o la propiedad relacionada, el módulo de Young, que es una medida general de la respuesta de un material a una presión aplicada, independientemente del tamaño de la muestra.

A medida que el contacto se estrecha, una mayor fracción de los átomos en la superficie, y sus cortos, los bonos más dura - en comparación con las de los átomos internos - debe llevar a una mayor rigidez general y un mayor módulo. Los experimentos anteriores han visto en algunas pruebas de esto, pero estaban limitados en las escalas de longitud de estudio. El Grupo Chopra observó una mejora clara en el módulo por debajo de un ancho de un nanómetro. En el límite de un solo átomo de oro, el módulo crece hasta por lo menos el doble del módulo normal, el oro macroscópico, encontró el equipo.

El equipo también investigó el proceso subyacente de la saltos bruscos en la conductancia de que el trabajo anterior, se identificaron como una abrupta reorganización atómica. Con las mediciones de su precisión, el equipo de Chopra, fue capaz de detectar los saltos a la baja en la duración del contacto durante la compresión. Por ejemplo, cuando el punto más estrecho tenía menos de 20 átomos, la longitud ha cambiado por uno de los cuatro valores posibles: picómetros 49, 79, 88 o 98. El equipo encontró que estos saltos se corresponden con el movimiento esperado para detener los átomos de oro en un cristal que se ha roto a lo largo de un plano interno, en donde las dos piezas se deslizan entre sí.

"Los autores muestran que estos re-arreglos que no son al azar en la naturaleza (como se puede esperar), sino que siempre se producen en las unidades de las distancias de deslizamiento cristalográfico", dice Julia Greer, del Instituto de Tecnología de California en Pasadena. Ella cree que esto impactará en nuestra comprensión de cómo a nivel atómico físico, influye en gran escala de propiedades mecánicas.Jan van Ruitenbeek de la Universidad de Leiden en los Países Bajos está de acuerdo. Él piensa que el comportamiento de los contactos entre los materiales metálicos a nanoescala podrían dar pistas sobre la fricción y el desgaste en estas superficies.

- Michael Schirber

Michael Schirber es un escritor de ciencia independiente en Lyon, Francia.

Referencias:

[1] G. Rubio, N. Agrait, y Vieira S., "de tamaño atómico contactos metálicos: Propiedades mecánicas y transporte electrónico," Phys..Rev. Lett. 76 , 2302 (1996) .

La mecánica cuántica y de conductores Sharvin
Jason N. Armstrong, Susan Z. Hua, y duras profundo Chopra
Phys..Rev. B 83 , 235422
(Edición del 17 de junio de 2011)

Los nano productos, ya estan en casa y no nos hemos dado cuenta. Tomando el NanoPulse - La vuelta al mundo en 80 nano-productos

16/10/2010

El mes pasado hablamos acerca de la nanotecnología, en el mundo natural. Este mes, nos dirigimos a centros comerciales del mundo, ferreterías y salones de belleza. ¿Sorprendido? Los productos de consumo forman parte de la vida cotidiana en todo el mundo, fabricados y vendidos por empresas como la suya y la mía, y utilizados por personas como tú y yo.

Tuve un poco de ayuda del Proyecto de Tecnologías Emergentes, para crear nuestro itinerario, y según ellos, la base de datos de nano de productos de consumo, ha crecido un 300% en el último año. Al parecer, es un mundo pequeño, después de todo.

En primer lugar, vamos a entrar en un restaurante en Pekín, y probar una serie de nano-palillos. Una empresa en China, con la adición de materiales a nanoescala y antibacterianos, para combatir la E. coli

y otras enfermedades transmitidas por los alimentos. Parece nano-plata, como a los antimicrobianos, es uno de los favoritos en China, la pintura en la pared restaurante puede contener, y el filtro del aire acondicionado, utensilios de cocina y tazones de fuente, incluso de comida para mascotas. Desde un punto de la serie más, hay computadoras con procesadores basados en una tecnología a nano escala, que casi duplica la densidad de los transistores en los chips, para mejorar la eficiencia energética.

Bádminton ¿alguien? Luego vamos a la cabeza en Malasia, y tomar una raqueta hecha con nanopartículas de carbono, de peso ligero. Y ya que estamos en el barrio, vamos a recoger unos calcetines anti-bacterianos de nano-y desodorante para el juego.

Tome un salto de Down Under, y que encontrarás en las empresas australianas, que han infundido nano-filtros solares, y revestimientos de protección para todo, desde vidrio a la madera a los barcos de teca. ¿Cree que es un ahorro de tiempo, pero el cuidado de vidrio y madera, les ha aumentado el tiempo libre para tomar el sol?

Hacia el oeste de Europa, nuestra primera parada es en Alemania. ¿Y qué se puede esperar en la tierra de la autopista, pero los neumáticos mejorados con nano? ¿En este caso?, son los neumáticos de bicicleta, ¿pero para las carreras?, no obstante. Aquí es donde podemos recoger algo de tecnología verde, ¿también?. Otra empresa alemana, hace un suelo súper-absorbente, con agua de aditivo para ayudar a florecer la tierra seca.

Para los franceses, la nanotecnología ha inspirado a los productos de belleza, por supuesto. Nombres como Chanel y Dior, están dando glamour a una pequeña ventaja con las cremas hidratantes, por emulsión de nano, y el maquillaje que crea un "nano-micro aireado" para perfeccionar el cutis. De hecho, mi lista de los 17 productos nano, se compone de 15 cosméticos y dos raquetas de tenis. Hable mucho acerca de la alegría de vivir.

Ahora vamos a nadar en el Canal, a encontrar a los británicos, que nos muestra el vidrio del auto-limpieza, cera para autos y pelotas de tenis - un homenaje a Wimbledon. En Italia, se puede recoger piolets fortalecidos con nano. Llegamos a las empresas suizas, que estan utilizando la nanotecnología para la filtración de aire, la tela repelente al agua, blanqueadores dentales, y por supuesto, en el ejército suizo con el equipaje.

Vamos a empacar y vamos a  América del Norte. En Canadá recogemos ropa exterior resistente al agua. Al sur de la frontera, añadimos pintura anti-graffiti de México, y luego estamos en lo correcto de vuelta a casa.

En nuestro propio patio trasero, se encuentran los productos de consumo basados en nanotecnología, que en cualquier otro lugar del planeta. El Proyecto de Nuevas Tecnologías listas de unos 500 nano productos estadounidenses, desde los lubricantes del motor, a las bolas de bowling, vitaminas,  diodos emisores de luz, prendas de vestir a los absorbentes  de químicos tóxicos , y cinco productos de mi propia compañía.

Pero antes de besar el asfalto de casa, déjenme decirles que nuestra pequeña excursión podría ser muy diferente en los próximos años. Según un informe de Lux Research, mientras que  los EE.UU., siguen a la cabeza la nanotecnología, otros países están cerrando la brecha, sobre todo Rusia y China. Nuestro apoyo a la investigación del gobierno, ha sido relativamente fuerte, incluso durante la reciente recesión económica. Al mismo tiempo, las compañías de inversión, ha sido la inversión de capital de riesgo plana, y estaba fuera de más del 40% en 2009. Si vamos a continuar con nuestro liderazgo, vamos a necesitar el músculo de los mercados financieros. Tengo la esperanza de la prórroga propuesta, permanente de los créditos fiscales a la I + D, será de utilidad en ese frente.

¿Y qué hay de ti? ¿Si usted? ha construido una línea completa de productos o simplemente tien su primero en el tablero de dibujo, espero que nuestro trotamundos, le hayan dado nuevas ideas. ¡Y hemos explorado sólo los productos de consumo! Hay cientos y cientos de productos nano-habilitados, en entornos industriales, por no mencionar los componentes de la nano, en una amplia gama de productos de consumo y comerciales. Hay que Añadir los fabricantes para los que la nanotecnología, se ha vuelto tan corriente que ni siquiera se molestan, en mencionarlos en la descripción de sus productos. En otras palabras, hay un mundo de oportunidades, vamos a seguir explorando la misma.

Scott E. Rickert es director ejecutivo de Nanofilm, Ltd., con sede en Valley View, Ohio.