芯片革命來了？科學家首次實現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。一項由加州大學圣地亞哥分校（UC San Diego）主導的突破性研究，成功在僅30納米寬的波導中引導光信號傳播超過1毫米——這相當于讓一束光在比人類頭發細3000倍的通道里“筆直奔跑”而不散逸，創下納米光子學領域的全新紀錄。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、發熱和能耗問題日益嚴重。而用光代替電，理論上可實現更快的數據傳輸與更低的能耗。然而，光有一個天然“短板”：它傾向于擴散，難以被約束在微小空間內。過去，科學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，研究團隊另辟蹊徑，設計出一種名為“混合介電-等離子體波導”的新型納米結構。它由一層極薄的氮化硅（dielectric）夾在兩層銀膜之間構成，形成一個“光陷阱”。當激光耦合進這個30納米寬的狹縫時，光場被強烈局域在中心，同時借助介電材料與金屬界面的協同作用，將能量損耗降至最低。實驗顯示，該結構在通信波段（1550 nm）實現了傳播長度超過1毫米，比同類納米波導提升了一個數量級以上。

“我們打破了‘越小越快就越短命’的魔咒，”項目負責人、納米光子學專家張磊教授說，“現在，光可以在芯片級尺度上既跑得快，又跑得遠。”

這一突破意味著，未來芯片上的光互連可以做得比現有技術小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據，徹底擺脫“內存墻”瓶頸；在量子芯片中，單光子也能被精準操控，用于構建復雜量子網絡。

更令人振奮的是，該結構兼容標準CMOS半導體制造工藝，有望直接集成到硅基芯片上，無需昂貴的新產線。研究團隊已與多家半導體公司展開合作，探索其在光計算、激光雷達和生物傳感等領域的應用。

當摩爾定律逐漸失效，光子或許就是延續算力革命的關鍵。而這次，人類終于學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