微型光學器件光開關(guān)速度提升萬倍，有望催生更高速計算機

其開關(guān)過程可由外部激光脈沖控制。

德國研究人員展示了一款由超薄半導(dǎo)體層制成的極速光開關(guān)，其運行速度比當今電子晶體管快約1萬倍。這款由奧爾登堡大學物理學家團隊設(shè)計的新型光學器件，可作為光開關(guān)或光晶體管使用。研究人員指出，超快光開關(guān)為光學數(shù)據(jù)處理提供了廣闊前景。

該原型器件被描述為一種納米結(jié)構(gòu)的"活性超材料"，由銀和原子級厚度的半導(dǎo)體層構(gòu)成，能在飛秒級（即千萬億分之一秒）時間尺度上控制光信號。

奧爾登堡大學實驗物理學教授、研究主要作者克里斯托夫·利瑙博士表示："如果要在納米尺度上制造超快光開關(guān)，我們的發(fā)現(xiàn)具有特殊意義。"

納米尺度光學

利瑙與研究團隊致力于尋找一種反射特性可在數(shù)飛秒內(nèi)通過聚焦激光束調(diào)控的材料。作為參照，1飛秒等于十億分之一秒的百萬分之一。

研究團隊采用超薄銀納米狹縫陣列，在其表面銑削出平行凹槽網(wǎng)格，每個凹槽的寬度和深度約為45納米。參與研究的英國劍橋大學科學家隨后在該結(jié)構(gòu)表面覆蓋僅三個原子厚度的半導(dǎo)體晶體二硫化鎢單分子層。

令科學家驚訝的是，這種納米結(jié)構(gòu)對光展現(xiàn)出非凡響應(yīng)。利瑙指出："兩種材料單獨存在時都不具備開關(guān)效應(yīng)。"但當組合成混合納米結(jié)構(gòu)后，它們就形成了所謂的"活性超材料"。

利瑙解釋稱，照射到納米結(jié)構(gòu)表面的光會短暫存儲于一種混合量子態(tài)（激子-等離子體極化激元）約70飛秒，隨后才被反射。在這種兼具光與物質(zhì)特性的狀態(tài)中，光以等離子體波形式在半導(dǎo)體表面?zhèn)鞑ィ瑢?dǎo)致與材料中束縛電子-空穴對（即激子）產(chǎn)生強烈相互作用。

邁向光學計算

研究團隊利用外部激光脈沖改變這種相互作用的強度。據(jù)報道，他們在初步實驗中成功將反射光亮度改變達10%。研究人員、主要作者之一丹尼爾·蒂默博士表示："在光存儲階段，我們能夠控制該材料層的反射率。"他與同事莫里茨·吉廷格博士隨后使用二維電子光譜技術(shù)對此效應(yīng)進行了研究。

該方法使他們能夠以數(shù)飛秒的時間分辨率追蹤量子相互作用，"就像觀看電影一樣"。利瑙強調(diào)："當前研究中，我們首次使用短于觀測開關(guān)過程的光脈沖對超材料進行研究。"

利瑙表示，超快光開關(guān)能大幅提升單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸量。相比之下，數(shù)百萬計算機和LED電視使用的電子晶體管開關(guān)速度要慢約千倍。研究團隊認為，光學技術(shù)是提升傳統(tǒng)計算機時鐘頻率的唯一途徑。利瑙指出，納米級超快光開關(guān)還有望為芯片制造、光學傳感器和量子計算機開辟新可能。

利瑙總結(jié)稱："主要任務(wù)將是設(shè)計、定制和優(yōu)化活性超材料，以實現(xiàn)這些應(yīng)用前景。"

該研究成果已發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》期刊。

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