北京
新型光子芯片實現超快光開關，能耗創紀錄新低。
賓夕法尼亞大學和蒙大拿州立大學的研究人員現推出一種新式光子系統，旨在突破這一瓶頸。該器件將二維半導體二硒化鉬（MoSe?）與光子晶體納米腔相結合，能以極低能耗實現用光控制光信號。
利用光而非電處理信息的光子器件，長久以來一直被視為邁向更快、更節能計算系統的希望之路。然而，一個主要挑戰始終限制著其發展：光子，也就是光的粒子，天然不易相互發生作用。
構建基于光的計算平臺
“我們的首要目標是推動全光計算這一領域——這是一個長久以來的夢想，即建造用光而非電處理信息的系統，”論文資深作者、蒙大拿州立大學助理教授何力在接受媒體采訪時說道。
“由于光的傳播速度比運動的電子更快，產生的熱量也更少，這類系統可能遠比今天的電子芯片更強大、更節能。但要使之成為現實，我們面臨著一個根本性難題：光子（即光粒子）通常彼此之間不會相互作用，”他接著說。
為解決這個問題，研究人員致力于利用激子?極化激元在光子之間創造更強的相互作用。激子?極化激元是光子和半導體內部激子發生強耦合時形成的一種混合準粒子。他們使用了單層二硒化鉬，并將其與精心設計用來緊密束縛光的氮化硅納米束腔集成在一起。
實現超低能耗光開關
這種受約束的納米腔有助于放大器件內部光與物質的相互作用，從而在極低功耗下實現超快光開關。何力解釋道：“通過迫使光與原子般薄的二硒化鉬層中的物質強耦合，我們可以有效地讓光子相互作用，并僅用極少的光能就改變系統的行為。”
“我們通過創造一種被稱為激子?極化激元的混合態來做到這一點。這些是‘半光半物質’的準粒子，繼承了兩者的最佳特性：因為它們部分是光子，所以能以光速傳播；又因為它們部分是物質（激子），所以能夠通過其背后的激子產生相互作用。”
據研究人員介紹，這種納米腔像一個超精密的光陷阱，把極化激元壓縮到極微小的空間里，顯著增強了粒子間的相互作用。該系統實現一次光開關僅消耗大約 4 飛焦耳的能量。
邁向人工智能與量子計算應用
研究人員表示，該平臺最終可支持大規模集成光子電路以及未來的人工智能或量子計算技術。何力表示：“我們展示了一條在極低光強下實現光開關的路徑，正逐步逼近光子相互作用所需能量的基本極限。”
“至關重要的是，我們的平臺在設計時就考慮了大規模量產。通過采用能夠使用標準制造技術圖案化的材料與結構，我們證明了這些二維材料器件可以集成到大規模集成光子電路中。這為包含數千個相互作用光學元件的芯片打開了大門，”他繼續說道。
目前，團隊正致力于進一步優化納米結構，以進一步降低開關閾值，并探索將多個納米腔連接成更大規模光學處理電路的方法。
該項研究成果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。
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