Vědci z MIT zmenšili zařízení ohýbající světlo 2000krát: Otevírá se cesta k optickým počítačům

Tým vědců z Massachusettského technologického institutu (MIT) dosáhl významného průlomu ve výrobě miniaturních 3D fotonických zařízení, která dokážou manipulovat s viditelným světlem.

Tým vědců z Massachusettského technologického institutu (MIT) dosáhl významného průlomu ve výrobě miniaturních 3D fotonických zařízení, která dokážou manipulovat s viditelným světlem. Vyvinuli novou techniku nazvanou „implosion carving“ (ImpCarv), jež umožňuje zmenšit objem materiálu až 2000krát a vytvářet nanostruktury s vysoce detailními prvky.

Fotonická zařízení, která manipulují a přenášejí světlo, představují energeticky účinnou alternativu k polovodičovým čipům v budoucích optických výpočetních systémech. Dosavadní výrobní metody však měly potíže s dosažením rozlišení 100 nanometrů, které je nezbytné pro vedení viditelného světla. Dvoufotonová litografie sice dokáže vytvářet 3D nanostruktury, ale její rozlišení zůstává nad 100 nanometry, zatímco elektronová litografie je omezena na ploché, dvourozměrné struktury.

Metoda ImpCarv překonává tato omezení tím, že využívá laser k vytváření drobných prázdných míst v hydrogelu. Laser excituje fotosenzitivní barvivo, které generuje reaktivní formy kyslíku, jež přerušují chemické vazby hydrogelu a vytvářejí přesně cílené dutiny s odlišnými optickými vlastnostmi. Po vytvoření vzoru prázdných míst je hydrogel zmenšen dvoufázovým procesem, který zahrnuje namáčení v iontech a superkritické sušení. Materiál se smrští více než desetkrát v každém rozměru, čímž se jeho objem zmenší zhruba 2000krát, přičemž jsou zachovány nanometrové detaily.

Pro demonstraci flexibility techniky vědci vytvořili několik složitých 3D struktur, včetně šroubovice a designu inspirovaného motýlím křídlem. Některé z těchto struktur byly příliš tenké a měly příliš vysoké poměry stran na to, aby mohly být vyrobeny konvenčními metodami. Tým také vyvinul fotonické zařízení schopné provádět jednoduchou úlohu klasifikace číslic, která se běžně používá k hodnocení neuronových sítí. Zařízení přijalo vstupní číslici a osvětlilo konkrétní výstupní místo odpovídající detekovanému číslu. Tento systém fungoval jako čistě optický systém schopný optických výpočtů.

Technologie umožňuje řídit vlastnosti materiálu v milionech drobných míst, což vytváří složité konstrukční výzvy, které lze řešit pomocí algoritmů hlubokého učení pro optimalizaci výkonu optického systému. Vědci nyní plánují aplikovat stejné principy na optická zařízení, která dokážou klasifikovat buňky protékající mikrofluidními systémy, což by mohlo umožnit detekci vzácných cirkulujících nádorových buněk ve vzorcích krve. Metoda by také mohla podpořit vysokokapacitní zobrazování a výrobu 3D nanofluidních zařízení. Tým vnímá ImpCarv jako škálovatelnou a nákladově efektivní platformu pro výrobu nanopřesných 3D metastruktur.