光,這個宇宙中最快的信息載體,終于被人類“馴服”到了前所未有的尺度。一項由加州大學(xué)圣地亞哥分校(UC San Diego)主導(dǎo)的突破性研究,成功在僅30納米寬的波導(dǎo)中引導(dǎo)光信號傳播超過1毫米——這相當(dāng)于讓一束光在比人類頭發(fā)細(xì)3000倍的通道里“筆直奔跑”而不散逸,創(chuàng)下納米光子學(xué)領(lǐng)域的全新紀(jì)錄。這項成果不僅刷新了物理極限,更為未來超高速、低功耗芯片鋪平了道路。
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傳統(tǒng)電子芯片依賴電流傳輸信息,但隨著晶體管尺寸逼近原子級,電子相互干擾、發(fā)熱和能耗問題日益嚴(yán)重。而用光代替電,理論上可實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸與更低的能耗。然而,光有一個天然“短板”:它傾向于擴(kuò)散,難以被約束在微小空間內(nèi)。過去,科學(xué)家嘗試用金屬表面等離激元(plasmonics)或高折射率材料來壓縮光,但往往犧牲傳播距離或引入巨大損耗。
此次,研究團(tuán)隊另辟蹊徑,設(shè)計出一種名為“混合介電-等離子體波導(dǎo)”的新型納米結(jié)構(gòu)。它由一層極薄的氮化硅(dielectric)夾在兩層銀膜之間構(gòu)成,形成一個“光陷阱”。當(dāng)激光耦合進(jìn)這個30納米寬的狹縫時,光場被強(qiáng)烈局域在中心,同時借助介電材料與金屬界面的協(xié)同作用,將能量損耗降至最低。實驗顯示,該結(jié)構(gòu)在通信波段(1550 nm)實現(xiàn)了傳播長度超過1毫米,比同類納米波導(dǎo)提升了一個數(shù)量級以上。
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“我們打破了‘越小越快就越短命’的魔咒,”項目負(fù)責(zé)人、納米光子學(xué)專家張磊教授說,“現(xiàn)在,光可以在芯片級尺度上既跑得快,又跑得遠(yuǎn)。”
這一突破意味著,未來芯片上的光互連可以做得比現(xiàn)有技術(shù)小100倍,同時保持高效通信。例如,在人工智能加速器中,成千上萬個計算單元可通過這種納米光通道高速交換數(shù)據(jù),徹底擺脫“內(nèi)存墻”瓶頸;在量子芯片中,單光子也能被精準(zhǔn)操控,用于構(gòu)建復(fù)雜量子網(wǎng)絡(luò)。
更令人振奮的是,該結(jié)構(gòu)兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體制造工藝,有望直接集成到硅基芯片上,無需昂貴的新產(chǎn)線。研究團(tuán)隊已與多家半導(dǎo)體公司展開合作,探索其在光計算、激光雷達(dá)和生物傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用。
當(dāng)摩爾定律逐漸失效,光子或許就是延續(xù)算力革命的關(guān)鍵。而這次,人類終于學(xué)會如何在納米迷宮中,為光點亮一盞不滅的燈。
參考資料:DOI:10.1038/s41566-025-01755-5
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