科技日報記者 張夢然

美國勞倫斯伯克利國家實驗室、哥倫比亞大學(xué)和西班牙馬德里自治大學(xué)聯(lián)合團隊在《自然·光子學(xué)》雜志上發(fā)表了一項突破性成果。他們利用“光子雪崩”納米粒子開發(fā)出一種新型光學(xué)計算材料。這一發(fā)現(xiàn)為制造納米級光學(xué)存儲器和晶體管鋪平了道路，同時也為實現(xiàn)下一代計算機更小、更快的組件提供了一條新途徑。

光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)允許材料通過光在兩種不同狀態(tài)（如明亮發(fā)光或完全不發(fā)光）之間切換。這對于構(gòu)建光學(xué)計算機至關(guān)重要，但光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)幾乎只在塊狀材料中觀察到，這些材料體積大且難以批量生產(chǎn)。

“光子雪崩”納米粒子克服了這些挑戰(zhàn)，在納米尺度上實現(xiàn)了固有光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)。團隊使用摻雜釹的鉀鉛鹵化物，制造了30納米的納米粒子。當(dāng)這些納米粒子被紅外激光激發(fā)時，會表現(xiàn)出“光子雪崩”現(xiàn)象，即激光功率的輕微增加都會導(dǎo)致納米粒子發(fā)射光的巨大、不成比例的增加。

新納米粒子的非線性比原始雪崩納米粒子高出三倍，這是迄今為止在材料中觀察到的最高非線性。進一步實驗表明，這些納米粒子不僅在高于給定激光功率閾值的激發(fā)下表現(xiàn)出“光子雪崩”特性，在激光功率降至該閾值以下時，它們?nèi)詴^續(xù)發(fā)出明亮的光，只有在非常低的激光功率下才會完全關(guān)閉。這意味著，納米粒子可在亮或暗的狀態(tài)之間切換。

這種“開”和“關(guān)”閾值功率之間的巨大差異，使得粒子可以用作納米級光學(xué)存儲器。未來，團隊計劃探索這些光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)納米材料的新應(yīng)用，并尋找具有更高環(huán)境穩(wěn)定性和更強光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的新配方。

總編輯圈點

本文的成果解決了長期以來困擾科學(xué)家的關(guān)鍵問題：如何在納米尺度上實現(xiàn)高效的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)。這一目標(biāo)的實現(xiàn)，其實是開發(fā)更小、更快的光學(xué)計算機組件的基礎(chǔ)。它在“開”與“關(guān)”之間的特性，看起來雖十分艱澀，但只要理解為它具備了構(gòu)建納米級光學(xué)存儲器的條件，亦能體會其中意義。未來在同等大小的設(shè)備中，可以容納更多的數(shù)據(jù)、擁有更長的壽命、實現(xiàn)更快的讀寫速度，同時耗費更少的能源。可以說，這項成果不僅推動了納米光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，也為下一代高性能計算機提供了新的可能性。