德國研究人員推出了一種由極薄半導(dǎo)體層制成的超快光開關(guān)，其運行速度比當(dāng)今的電子晶體管快約 10,000 倍。

由奧爾登堡大學(xué)物理學(xué)家團隊設(shè)計的新型光學(xué)器件，可用作光開關(guān)或光晶體管。研究人員表示，超快光開關(guān)為光數(shù)據(jù)處理提供了廣闊的應(yīng)用前景。

這種被描述為納米結(jié)構(gòu)“活性超材料”的原型由銀和原子級薄的半導(dǎo)體層制成。它能夠在飛秒（即千萬億分之一秒）的時間尺度上控制光。

“如果我們想在納米尺度上制造超快光開關(guān)，我們的發(fā)現(xiàn)就特別有意義，”奧爾登堡大學(xué)實驗物理學(xué)教授、該研究的主要作者克里斯托夫·利瑙博士表示。

納米尺度光學(xué)

利瑙和他的研究團隊著手尋找一種材料，利用聚焦激光束，可以在短短幾個飛秒內(nèi)操控或切換其反射特性。作為參考，一飛秒等于十億分之一秒的百萬分之一。

在這個項目中，研究團隊使用了一種超薄的銀納米狹縫陣列。然后，他們在其表面銑削出一個平行溝槽網(wǎng)格，每個溝槽的寬度和深度約為 45 納米（十億分之一毫米）。

參與這項研究的英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家們隨后將一層僅有三個原子厚的半導(dǎo)體晶體二硫化鎢單層涂覆到該結(jié)構(gòu)的表面上。

莫里茨·吉廷格博士（左）和丹尼爾·蒂默博士（右）站在這項研究所依據(jù)的實驗裝置前。圖片來源：奧爾登堡大學(xué)/馬庫斯·溫杜斯

令科學(xué)家們驚訝的是，這種納米結(jié)構(gòu)對光表現(xiàn)出非凡的響應(yīng)?！皢为殎砜?，這兩種材料都不具備開關(guān)效應(yīng)，”利瑙指出。然而，當(dāng)它們結(jié)合成混合納米結(jié)構(gòu)時，就變成了所謂的“活性超材料”。

Lienau解釋說，照射到納米結(jié)構(gòu)表面的光會短暫地存儲在一種稱為激子-等離子體極化子的混合量子態(tài)中約70飛秒，然后被反射。

在這種兼具光和物質(zhì)特性的狀態(tài)下，光以等離子體波的形式在半導(dǎo)體表面?zhèn)鞑?。這導(dǎo)致光與材料中束縛的電子-空穴對（稱為激子）發(fā)生強烈的相互作用。

邁向光計算

研究團隊利用外部激光脈沖來改變這種相互作用的強度。據(jù)報道，在最初的實驗中，他們能夠?qū)⒎瓷涔獾牧炼雀淖兏哌_10%。

“在存儲階段，我們能夠控制這一層的反射率，”該研究的主要作者之一、研究員丹尼爾·蒂默博士說。他和他的同事莫里茨·吉廷格博士隨后利用二維電子光譜（2DES）研究了這種效應(yīng)。

這種方法使他們能夠以飛秒級的時間分辨率追蹤量子相互作用，就像觀看電影一樣?！霸诒狙芯恐?，我們首次利用比觀測到的開關(guān)過程更短的光脈沖來研究超材料，”利瑙強調(diào)說。

利瑙報告稱，超高速光開關(guān)可以大幅提高單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。與此同時，數(shù)百萬臺計算機和LED電視中使用的電子晶體管的開關(guān)速度卻要慢大約一千倍。

研究團隊表示，光學(xué)技術(shù)是提高傳統(tǒng)計算機時鐘頻率的唯一途徑。利瑙解釋說，納米級超快光開關(guān)也可能為芯片制造、光學(xué)傳感器和量子計算機開辟新的可能性。

“主要任務(wù)是設(shè)計、定制和優(yōu)化有源超材料，從而使這些應(yīng)用成為可能，”利瑙在一份聲明中總結(jié)道。

該研究已發(fā)表在《自然納米技術(shù)》雜志上。

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