芯片革命来了？科学家首次实现光信号在纳米通道中跑出新速度

光，这个宇宙中最快的信息载体，终于被人类“驯服”到了前所未有的尺度。一项由加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）主导的突破性研究，成功在仅30纳米宽的波导中引导光信号传播超过1毫米——这相当于让一束光在比人类头发细3000倍的通道里“笔直奔跑”而不散逸，创下纳米光子学领域的全新纪录。这项成果不仅刷新了物理极限，更为未来超高速、低功耗芯片铺平了道路。

传统电子芯片依赖电流传输信息，但随着晶体管尺寸逼近原子级，电子相互干扰、发热和能耗问题日益严重。而用光代替电，理论上可实现更快的数据传输与更低的能耗。然而，光有一个天然“短板”：它倾向于扩散，难以被约束在微小空间内。过去，科学家尝试用金属表面等离激元（plasmonics）或高折射率材料来压缩光，但往往牺牲传播距离或引入巨大损耗。

此次，研究团队另辟蹊径，设计出一种名为“混合介电-等离子体波导”的新型纳米结构。它由一层极薄的氮化硅（dielectric）夹在两层银膜之间构成，形成一个“光陷阱”。当激光耦合进这个30纳米宽的狭缝时，光场被强烈局域在中心，同时借助介电材料与金属界面的协同作用，将能量损耗降至最低。实验显示，该结构在通信波段（1550 nm）实现了传播长度超过1毫米，比同类纳米波导提升了一个数量级以上。

“我们打破了‘越小越快就越短命’的魔咒，”项目负责人、纳米光子学专家张磊教授说，“现在，光可以在芯片级尺度上既跑得快，又跑得远。”

这一突破意味着，未来芯片上的光互连可以做得比现有技术小100倍，同时保持高效通信。例如，在人工智能加速器中，成千上万个计算单元可通过这种纳米光通道高速交换数据，彻底摆脱“内存墙”瓶颈；在量子芯片中，单光子也能被精准操控，用于构建复杂量子网络。

更令人振奋的是，该结构兼容标准CMOS半导体制造工艺，有望直接集成到硅基芯片上，无需昂贵的新产线。研究团队已与多家半导体公司展开合作，探索其在光计算、激光雷达和生物传感等领域的应用。

当摩尔定律逐渐失效，光子或许就是延续算力革命的关键。而这次，人类终于学会如何在纳米迷宫中，为光点亮一盏不灭的灯。

参考资料：DOI：10.1038/s41566-025-01755-5