|
|
|
Fotonik bilimi, ışık ve maddenin birbiriyle etkileşimini inceleyen bilim dalı. Bu anlamda “nanofotonik” fotonik ve nanoteknolojinin bir arada yer aldığı, yani boyutları 1-100 nm arasında değişen nanoyapıların ışıkla etkileşimini inceleyen bilim dalı olarak tanı mlanır. Bu boyutlarda tek bir atomun ya da molekülün tek bir fotonla etkileşimi sözkonusu. Kuantum mekaniğ inin kurallarının geçerli olduğu bu boyutlarda ışığın bölünemez en küçük miktarına karşılık gelen fotonlar, bir anlamda maddeyi oluşturan atom ve moleküllerle dans ederler. Bu etkileşimin kontrol altına alınmasını hedeşeyen nanofotonik sayesinde birçok alanda önemli ilerlemeler sağlanacak. Nanofotonik kristaller, nanoplazmonik yapılar ve nano-metamalzemeler, nanofotoniğin günümüzde en yoğun biçimde çalışılan dalları. Bu nanofotonik teknolojilerin kullanıma girmesiyle bilgisayarların daha da hızlanması, ‹nternet’in yüzlerce kat hızlanması, DVD’lerin bilgi saklama kapasitesinin yüzlerce kat artması, nanoelektronik entegre devrelerin optik yöntemlerle üretimi mümkün olacak.
1987 yılında Eli Yablonovitch tarafı ndan keşfedilen fotonik kristaller, periyodik bir yapı içinde ışığın yayılması nı engelleme özelliğine sahipler. Bir kelebeğin ya da tavuskuşunun kanatları nda yer alan renklerin temel nedeni, bu yapılarda doğal olarak bulunan fotonik kristaller. Fotonik kristalleri nanolitografi yardımıyla yarı- iletkenler kullanarak da üretmek mümkün. Işığın dalgaboyunun onda biri inceliğinde (30-50 nm) olan bu yapı larda oluşturulan düzensizlikleri kullanarak, ışık çok küçük bir alana sıkıştırılabilir. Bu yaklaşımla dünyanı n en küçük çınlaçları, yani ışığı çok küçük bir hacimde sıkıştırabilen yapı- lar tasarlandı ve üretildi. Bu yapıların boyutları bir dalgaboyu küp hacminin 30’da biri kadar. Bu kadar küçük boyutlara inebilen bu yapıları kullanarak dünyanın en küçük lazerleri yapıldı. Boyutları bu kadar küçülen lazerlerden milyonlarcası aynı malzemeden yapılabildiği için bu fotonik kristal lazerlerin maliyeti çok düşük. Nanofotonik kristal temelli bu lazerlerden çıkan fotonlar yine fotonik kristaller aracılığıyla yönlendirilerek ışı- ğın bir devrenin değişik noktalara ulaşmasını sağlayabilir. Günümüzde 4-5 GHz’de tıkanma seviyesine gelmiş silikon temelli mikroişlemcilerin en büyük sorunu, transistörler arasındaki elektronik iletişimin yavaşlığı. Boyutları 2 cm’e varan bu entegre devrelerde bilginin elektronik olarak bir uçtan diğerine taşınması çok uzun bir süre alıyor. Oysa hepimizin bildiği gibi evrende ışıktan hızlı bir şey olamaz. Bu durumda bu bilginin optik olarak nanofotonik kristaller aracılı- ğıyla taşınması, günümüzdeki bu sı- nırlamayı ortadan kaldıracak ve bilgisayarları n yüzlerce kez daha hızlı çalı şmasına olanak tanıyacak. Benzer şekilde günümüzde ‹nternet’in hızını belirleyen, temel olarak elektronik devrelerdir. Bu elektronik devrelerin optik devrelerle değişimi sayesinde bilgi iletme hızında yüzlerce katlık bir hızlanma olacak. Bu optik entegre devreleri oluşturan lazer, modülatör ve detektörlerin yapımında ayrıca ışı- ğın bu devre içinde yönlendirilmesinde nanofotonik kristaller önemli avantajlar sunuyor ve bu tür devrelerin boyutlarının çok küçülmesini sağ- lıyorlar. Nanoplazmonik aygıtlar, metal ve yalıtkan malzemelerin bir araya geldi- ği ara yüzeyde oluşturulan ve nanometre boyutlarına sahip olan yapıları içeriyorlar. Bu yapılarda ışık yalnızca bu ara yüzeyde yer alıyor ve bu bölgede ışığın dalgaboyu, havadaki dalgaboyundan 20-30 kat daha kısa olabiliyor. 10 nm’ye inen dalgaboylarında moleküler düzyde etkileşim ya da görüntü almak mümkün. Optik-anten adı da verilen yapılarla, normal yöntemlerle mümkün olmayan optik görüntüleme çözünürlüklerine erişilebiliyor. Bir molekülün optik yöntemlerle görüntüsünün alınması yanında bu moleküle optik erişim de sağlandığı için bu yöntemin özellikle optik temelli bellek uygulamalarında önemli bir avantaj sağlaması beklenmekte. Günümüzde bir DVD’nin bilgi saklama kapasitesini belirleyen, yazılan ışı- ğın dalgaboyudur. Nanoplazmonik ya- pılarda bu dalgaboyunun 30 kat küçüldüğ ü düşünülürse, bu yapıların DVD yazma ve okumada kullanılması DVD’lerin kapasitesini 1000 kat arttı- rabilecek ve 100 terabyte (1014) bilginin tek bir diske yazılması mümkün olacak. Bu, yaklaşık olarak 25.000 sinema filminin tek bir DVD’de saklanması demek. Metamalzemeler 1999 yılında Londra Imperial College’da çalışan Prof. Sir John Pendry tarafından kuramsal olarak ortaya atıldı. Daha sonra San Diego, Girit ve Bilkent Üniversitelerinde ortak olarak yapılan çalışmalarla bu malzemeler deneysel olarak da üretildi. Metamalzemelerin en önemli özelliği, ışık özelliklerinin negatif olması. Örneğin, havadan gelen bir ışık demeti suya girerken belirli bir açıda kırılır. Oysa bu kırılım metamalzemelerde negatif yönde olur. Yani, bu malzemelerde ışığın kırılma indisi negatiftir. Faz hızı, ışık-basıncı, Doppler etkisi, Cherenkov radyasyonu gibi optik özellikler de bu malzemelerde negatif olarak ortaya çıkar. Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezi’nde yapılan çalışmalar sonucunda, dünyanın en küçük boyutları- na sahip negatif kırılma indisli metamalzemeler üretilmiş bulunuyor. Günümüzde entegre devrelerin minimum boyutlarını sınırlayan en önemli faktör, bu devreleri yapmak için kullanı lan merceklerin optik çözünürlüklerinin yetersiz kalması. Oysa nanoboyutlarda sahip nanometamalzemeler kullanarak, geleneksel merceklerden çok daha yüksek çözünürlüğe sahip süper mercekler yapmak mümkün. Bu süper merceklerin çözünürlüğü geleneksel merceklerden 20-30 kat daha üstün. Entegre devre yapımında süper merceklerin kullanımıyla, günümüzde ancak 1 milyar transistörün sı- ğabildiği bir alana 1 trilyon transistör sığdırmak olası. Metamalzemelerle üretilen ve 3-10 nm boyutlarında nanotransistörlerden oluşan nanoelektronik entegre devrelerse günümüzdeki bilgisayarlardan binlerce kat daha hızlı ve kapasiteli yeni nesil bilgisayarları n yapılmasında kullanılacak P r o f . D r . E k m e l Ö z b a y Nanoteknoloji Araştırma Merkezi Bilkent Üniversitesi |
|
|
