速度提升1万倍，纳米级超快光开关新突破！

德国研究人员推出了一种由极薄半导体层制成的超快光开关，其运行速度比当今的电子晶体管快约 10,000 倍。

由奥尔登堡大学物理学家团队设计的新型光学器件，可用作光开关或光晶体管。研究人员表示，超快光开关为光数据处理提供了广阔的应用前景。

这种被描述为纳米结构“活性超材料”的原型由银和原子级薄的半导体层制成。它能够在飞秒（即千万亿分之一秒）的时间尺度上控制光。

“如果我们想在纳米尺度上制造超快光开关，我们的发现就特别有意义，”奥尔登堡大学实验物理学教授、该研究的主要作者克里斯托夫·利瑙博士表示。

纳米尺度光学

利瑙和他的研究团队着手寻找一种材料，利用聚焦激光束，可以在短短几个飞秒内操控或切换其反射特性。作为参考，一飞秒等于十亿分之一秒的百万分之一。

在这个项目中，研究团队使用了一种超薄的银纳米狭缝阵列。然后，他们在其表面铣削出一个平行沟槽网格，每个沟槽的宽度和深度约为 45 纳米（十亿分之一毫米）。

参与这项研究的英国剑桥大学的科学家们随后将一层仅有三个原子厚的半导体晶体二硫化钨单层涂覆到该结构的表面上。

莫里茨·吉廷格博士（左）和丹尼尔·蒂默博士（右）站在这项研究所依据的实验装置前。图片来源：奥尔登堡大学/马库斯·温杜斯

令科学家们惊讶的是，这种纳米结构对光表现出非凡的响应。“单独来看，这两种材料都不具备开关效应，”利瑙指出。然而，当它们结合成混合纳米结构时，就变成了所谓的“活性超材料”。

Lienau解释说，照射到纳米结构表面的光会短暂地存储在一种称为激子-等离子体极化子的混合量子态中约70飞秒，然后被反射。

在这种兼具光和物质特性的状态下，光以等离子体波的形式在半导体表面传播。这导致光与材料中束缚的电子-空穴对（称为激子）发生强烈的相互作用。

迈向光计算

研究团队利用外部激光脉冲来改变这种相互作用的强度。据报道，在最初的实验中，他们能够将反射光的亮度改变高达10%。

“在存储阶段，我们能够控制这一层的反射率，”该研究的主要作者之一、研究员丹尼尔·蒂默博士说。他和他的同事莫里茨·吉廷格博士随后利用二维电子光谱（2DES）研究了这种效应。

这种方法使他们能够以飞秒级的时间分辨率追踪量子相互作用，就像观看电影一样。“在本研究中，我们首次利用比观测到的开关过程更短的光脉冲来研究超材料，”利瑙强调说。

利瑙报告称，超高速光开关可以大幅提高单位时间内传输的数据量。与此同时，数百万台计算机和LED电视中使用的电子晶体管的开关速度却要慢大约一千倍。

研究团队表示，光学技术是提高传统计算机时钟频率的唯一途径。利瑙解释说，纳米级超快光开关也可能为芯片制造、光学传感器和量子计算机开辟新的可能性。

“主要任务是设计、定制和优化有源超材料，从而使这些应用成为可能，”利瑙在一份声明中总结道。

该研究已发表在《自然纳米技术》杂志上。

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