芯片革命來了？科學(xué)家首次實現(xiàn)光信號在納米通道中跑出新速度

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。

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。

“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