速度提升1萬倍，納米級超快光開關新突破！

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

由奧爾登堡大學物理學家團隊設計的新型光學器件，可用作光開關或光晶體管。研究人員表示，超快光開關為光數據處理提供了廣闊的應用前景。

這種被描述為納米結構“活性超材料”的原型由銀和原子級薄的半導體層制成。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，我們的發現就特別有意義，”奧爾登堡大學實驗物理學教授、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

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的科學家們隨后將一層僅有三個原子厚的半導體晶體二硫化鎢單層涂覆到該結構的表面上。

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的實驗裝置前。圖片來源：奧爾登堡大學/馬庫斯·溫杜斯

令科學家們驚訝的是，這種納米結構對光表現出非凡的響應。“單獨來看，這兩種材料都不具備開關效應，”利瑙指出。然而，當它們結合成混合納米結構時，就變成了所謂的“活性超材料”。

Lienau解釋說，照射到納米結構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中約70飛秒，然后被反射。

在這種兼具光和物質特性的狀態下，光以等離子體波的形式在半導體表面傳播。這導致光與材料中束縛的電子-空穴對（稱為激子）發生強烈的相互作用。

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。據報道，在最初的實驗中，他們能夠將反射光的亮度改變高達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。

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。“在本研究中，我們首次利用比觀測到的開關過程更短的光脈沖來研究超材料，”利瑙強調說。

利瑙報告稱，超高速光開關可以大幅提高單位時間內傳輸的數據量。與此同時，數百萬臺計算機和LED電視中使用的電子晶體管的開關速度卻要慢大約一千倍。

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

“主要任務是設計、定制和優化有源超材料，從而使這些應用成為可能，”利瑙在一份聲明中總結道。

該研究已發表在《自然納米技術》雜志上。

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