|
|
 |
Φως από πυρίτιο
|
|
|
|
|
|
|
Χρόνια επιδίωξη των επιστημόνων ήταν η κατασκευή λέιζερ με βάση το πυρίτιο. Μια τέτοια τεχνολογική εξέλιξη θα έδινε τη δυνατότητα στους μηχανικούς να κατασκευάζουν φθηνά τσιπ στα οποία θα ενσωματώνουν ηλεκτρονικές και οπτικές διατάξεις, αντί να αναγκάζονται να χρησιμοποιούν ακριβής κατασκευής λέιζερ που βασίζονται σε «εξωτικά» ημιαγώγιμα υλικά όπως το αρσενικούχο γάλλιο ή το φωσφορούχο ίνδιο. Τα λέιζερ πυριτίου θα άνοιγαν ενδεχομένως το δρόμο σε οικονομικά συστήματα που θα βασίζονται στο φως, τα οποία θα χρησιμοποιούν φωτόνια αντί για ηλεκτρόνια για τη μεταφορά τεράστιου όγκου δεδομένων με μεγάλες ταχύτητες ―της τάξεως των πολλών γιγαμπίτ ανά δευτερόλεπτο. Δύο ερευνητικές ομάδες, η μία στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Αντζελες (UCLA) και η άλλη στην Intel Corporation, ανακοίνωσαν πρόσφατα ότι κατάφεραν να κάνουν το πυρίτιο να εκπέμπει συνεχές φως λέιζερ.
Αυτός ο πολυαναμενόμενος άθλος σημειώθηκε παρά τη σθεναρή άρνηση του πυριτίου να λειτουργήσει ως μέσο παραγωγής φωτός λέιζερ. Σε ένα καλό τέτοιο υλικό, τα τροφοδοτούμενα με ενέργεια ηλεκτρόνιά του απελευθερώνουν αυτή την ενέργεια υπό μορφή φωτονίων σύμφωνης ακτινοβολίας. Όσον αφορά το πυρίτιο, όμως, τα διεγερμένα ηλεκτρόνια έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να αρχίσουν να δονούνται, παράγοντας με αυτό τον τρόπο θερμότητα. «Κατεβλήθησαν πολλές προσπάθειες, ωστόσο κανείς ώς τώρα δεν είχε καταφέρει να κάνει το πυρίτιο να εκπέμψει φως λέιζερ» σημειώνει ο Bahram Jalali, ο επί κεφαλής φυσικός της ομάδας τού UCLA.
Ο Jalali και η ομάδα του έλυσαν το πρόβλημα πέρυσι το φθινόπωρο εκμεταλλευόμενοι με ευφυή τρόπο μερικές από αυτές ακριβώς τις δονήσεις στις οποίες αποδιδόταν η ακαταλληλότητα του πυριτίου για την κατασκευή λέιζερ. Συγκεκριμένα, επικεντρώθηκαν στο φαινόμενο Raman, μια διαδικασία στην οποία το μήκος κύματος του φωτός αυξάνει κατά τη σκέδασή του από δονούμενα άτομα. Οι ερευνητές τού UCLA «ταίριαξαν» την ενέργεια του σκεδαζόμενου φωτός με την ενέργεια άντλησης ενός άλλου λέιζερ έτσι ώστε να δημιουργείται ενισχυτική ανατροφοδότηση, με τελικό αποτέλεσμα την καθαρή ενίσχυση του φωτός.
Η Intel ανακοίνωσε τα δικά της επιτυχή αποτελέσματα σχετικά με τη δημιουργία ενός λέιζερ πυριτίου βασιζόμενου στο φαινόμενο Raman μερικούς μήνες μετά. Οι επιστήμονες της εταιρείας κατασκευής τσιπ διοχέτευσαν το φως ενός ξεχωριστού λέιζερ σε έναν κυματοδηγό ―στην ουσία επρόκειτο για μια τομή σχήματος S την οποία χάραξαν οι μηχανικοί πάνω σε ένα τετραγωνικό τσιπ πυριτίου πλευράς 15 χιλιοστών― και, χάρη στο φαινόμενο Raman, προέκυψε ακτινοβολία λέιζερ. Φυσικά, το όλο εγχείρημα δεν ήταν και τόσο εύκολο. Η ισχύς ενός λέιζερ πυριτίου βασιζόμενου στο φαινόμενο Raman φτάνει τυπικά μέχρι ένα άνω όριο, καθώς φωτόνια συγκρούονται σποραδικά με άτομα πυριτίου και απελευθερώνουν ηλεκτρόνια. «Δυστυχώς, αυτό το νέφος των ελεύθερων ηλεκτρονίων απορροφά και σκεδάζει το φως, με συνέπεια η τροφοδότηση της διάταξης με περισσότερη ενέργεια να έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας» εξηγεί ο Mario Paniccia, διευθυντής του εργαστηρίου φωτονικής τεχνολογίας τής Intel. Γι’ αυτό το λόγο, η ομάδα τοποθέτησε δύο ηλεκτρόδια σε κάθε πλευρά του κυματοδηγού, δημιουργώντας τρόπον τινά μια δίοδο. «Η εφαρμογή τάσης στη δίοδο έχει ως αποτέλεσμα την απορρόφηση και απομάκρυνση των ελεύθερων ηλεκτρονίων, όπως περίπου κάνει μια ηλεκτρική σκούπα» λέει ο Paniccia, και με αυτό τον τρόπο διασφαλίζεται η απρόσκοπτη διέλευση του φωτός μέσα από το τσιπ.
«Η συγκεκριμένη αλλά και άλλες συναφείς έρευνες θα οδηγήσουν λογικά σε πολλές χρήσιμες εφαρμογές» σημειώνει ο Philippe M. Fauchet, ηλεκτρολόγος μηχανικός και μηχανικός ηλεκτρονικών υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ (Νέα Υόρκη). Η παραγωγή συνεχών δεσμών λέιζερ από πυρίτιο θα μπορούσε να υπερκεράσει τα εμπόδια κόστους και μεγέθους που αντιμετωπίζουν τα σημερινά λέιζερ και να επεκτείνει, φέρ’ ειπείν, τη χρήση τους σε χειρουργικές επεμβάσεις. Η τεχνολογία αυτή θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση μικροσκοπικών ποσοτήτων χημικών ουσιών στο περιβάλλον, να μπλοκάρει τους αισθητήρες θερμικά κατευθυνόμενων βλημάτων ή να οδηγήσει στη δημιουργία οπτικών επικοινωνιών μεγάλου εύρους ζώνης (υψηλής χωρητικότητας).
Κοιτάζοντας λίγο μακρύτερα, ο Paniccia πιστεύει ότι η νέα τεχνολογία λέιζερ θα μπορούσε να αποτελέσει τον δομικό λίθο φωτονικών διατάξεων μεγάλου εύρους ζώνης, κατασκευασμένων σχεδόν εξ ολοκλήρου από φθηνό πυρίτιο σε ήδη υπάρχουσες εγκαταστάσεις κατασκευής ημιαγωγών. « Έχουμε ήδη αναπτύξει τις άλλες απαραίτητες συνιστώσες ενός τέτοιου συστήματος», μεταξύ των οποίων γρήγορους διαμορφωτές (οπτικούς κωδικοποιητές), οπτικές ίνες και φωτοανιχνευτές, επισημαίνει ο Paniccia.
Βεβαίως, πολλοί στη βιομηχανία ευελπιστούν ότι αυτή η τεχνολογία θα οδηγήσει τελικά σε υπολογιστές με αποκλειστικά οπτικές διατάξεις ―ψηφιακά συστήματα εξαιρετικά μεγάλης ταχύτητας στα οποία τα φωτόνια, και όχι πια τα ηλεκτρόνια, θα παίζουν το ρόλο τού 0 και του 1. Ο Paniccia είναι αναμφίβολα αισιόδοξος όσον αφορά την πρόσφατη πρόοδο: «Αυτή η δουλειά δεν συνιστά ρηξικέλευθη πρόοδο απλώς και μόνο από πλευράς επιστήμης αλλά και από πλευράς ψυχολογίας, μια και ουδείς πίστευε έως τώρα ότι κάτι ανάλογο θα ήταν ποτέ εφικτό.»
|
|
|
|
|
|
