Μετα-ϋλικά και νανοφωτονικές διατάξεις στερεάς κατάστασης: ανοίγοντας νέους τεχνολογικούς δρόμους με το φως

Το Εθνικό Κέντρο Έρευνας Φυσικών Επιστημών “Δημόκριτος”, συνεχίζοντας μία μακρά παράδοση, διοργάνωσε από 3 έως 14 Ιουλίου 2017 Θερινό Σχολείο προσανατολισμού και ενημέρωσης, που απευθύνεται σε πτυχιούχους και τελειόφοιτους ΑΕΙ/ΤΕΙ.
 

Οι διαλέξεις του Θερινού Σχολείου κάλυψαν τις παρακάτω θεματικές περιοχές:

• Περιβάλλον – Ενέργεια – Ασφάλεια
• Προηγμένα Υλικά, Μικρο – Νανοτεχνολογία & Διατάξεις
• Βασική Έρευνα στις Φυσικές Επιστήμες
• Τεχνολογίες Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών
• Επιστήμες Ζωής
• Νέες Τεχνολογίες και Πολιτιστική Κληρονομιά

Οι διαλέξεις του Θερινού Σχολείου  πραγματοποιήθηκαν από διακεκριμένους επιστήμονες από Ερευνητικά Κέντρα και Πανεπιστήμια της Ελλάδας και του εξωτερικού  και του ΕΚΕΦΕ ''Δ''. Επίσης στο πλαίσιο του Θερινού Σχολείου πραγματοποιήθηκαν επισκέψεις στις εργαστηριακές εγκαταστάσεις του κέντρου και πρακτική εξάσκηση σε επιλεγμένα εργαστήρια.

Στο πλαίσιο του Θερινού Σχολείου, οι συμμετέχοντες είχαν την ευκαιρία να παρακολουθήσουν και μία Ημερίδα Μεταπτυχιακής Εκπαίδευσης - Eurαxess - Marie-Currie, καθώς και τις επιστημονικές διαλέξεις του 5th Hellenic Forum for Science, Technology and Innovation (plenary sessions).

Περίληψη της ομιλίας

Η ανάγκη για όλο και δραστικότερη σμίκρυνση των διαστάσεων των κυκλωμάτων, αλλά και για όλο και υψηλότερες ταχύτητες στη διαχείριση του συνεχούς αυξανόμενου όγκου πληροφορίας από τις σύγχρονες συσκευές, έστρεψε την έρευνα στην αναζήτηση τρόπων για την αντικατάσταση των ηλεκτρονίων, που παραδοσιακά χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά της πληροφορίας, με φωτόνια.
 

Το φωτόνιο ταξιδεύει με πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες, συγκριτικά με το ηλεκτρόνιο και συνεπώς μπορεί να μεταφέρει μεγαλύτερο όγκο πληροφορίας στη μονάδα του χρόνου, ενώ από την άλλη πλευρά, έχει μεγαλύτερο εύρος ζώνης (~THz), και ασφαλώς, πολύ μικρότερες απώλειες.
 

Μια ιδέα που προτάθηκε αρχικά από τους Yablonovitch και John, ήταν ο σχεδιασμός υλικών με περιοδική διαμόρφωση στο δείκτη διάθλασης τα οποία θα λειτουργούν για τα φωτόνια όπως λειτουργούν οι κρύσταλλοι των ημιαγωγών για τα ηλεκτρόνια. Πράγματι, οι δομές αυτές που ονομάζονται φωτονικοί κρύσταλλοι, μας έδωσαν τη δυνατότητα της παγίδευσης αλλά και της οδήγησης του φωτός, ανοίγοντας το δρόμο για μια εντελώς νέα τεχνολογία. Οι οπτικές ιδιότητες των φωτονικών κρυστάλλων μπορούν να ελεγχθούν με βάση τις προτιμήσεις του σχεδιαστή, ενώ η καταστροφική συμβολή των κυμάτων, λόγω της περιοδικής διαμόρφωσης του δείκτη διάθλασης, ευθύνεται για τη δημιουργία φωτονικού χάσματος.
 

Η ύπαρξη του φωτονικού χάσματος, το οπτικό ανάλογο του ηλεκτρονικού χάσματος, μας δίνει τη δυνατότητα για τον αποτελεσματικό έλεγχο των φωτονίων. Τέτοιες δομές κατασκευάζονται ως επί το πλείστον από διηλεκτρικά υλικά, όμως ο έλεγχος του φωτός μπορεί να γίνει και με μεταλλικές νανοδομές οι οποίες παρουσιάζουν ένα μεγάλο εύρος εντυπωσιακών οπτικών ιδιοτήτων εξαιτίας της αλληλεπίδρασης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου. Με βάση τις σύγχρονες τεχνικές νανοσχηματοποίησης μπορούν να κατασκευαστούν σύνθετες μεταλλο-διηλεκτρικές νανοδομές που να εμφανίζουν ισχυρή τοπική ενίσχυση του πεδίου, ολική απορρόφηση, οπτική παγίδευση, έλεγχο της αυθόρμητης εκπομπής, ακόμη και εξωτικές ιδιότητες όπως ο αρνητικός δείκτης διάθλασης.