美國研究團隊開發新型光子設備 提升計算速度與能效

來自賓夕法尼亞大學及蒙大拿州立大學的研究人員最近推出了一個全新的光子系統，旨在克服光子設備發展中的一項限制。這個設備將二維半導體二硒化鉬（MoSe₂）與光子晶體納米腔結合，使光信號能夠以極低的能量消耗進行控制。光子設備利用光而非電力處理信息，長期以來被視為實現更快且更節能計算系統的有前景途徑。然而，其中一項主要挑戰限制了其發展：光子，或稱光粒子，並不會自然地輕易相互作用。

建立基於光的計算平台是這項研究的主要動機。蒙大拿州立大學的助理教授李赫在接受 Tech Xplore 的報導時表示：“我們的主要動機是推進全光計算領域——這是一項長期以來的夢想，旨在構建使用光而非電力處理信息的系統。由於光的傳播速度快且產生的熱量遠低於運動中的電子，這些系統的性能和能效潛力將顯著超過當前的電子晶片。”然而，為了實現這一願景，他指出，研究人員面臨一個根本挑戰：光子通常不會相互作用。

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研究人員成功利用激子-極化子增強光子相互作用

為瞭解決這一問題，研究人員專注於利用激子-極化子來加強光子之間的相互作用，這是當光子在半導體內與激子強烈耦合而形成的混合準粒子。研究團隊使用一層 MoSe₂，並將其與經過設計的氮化硅納米光束腔集成，以緊密限制光線。這一限制納米腔有助於增強設備內部光與物質之間的相互作用，使得在極低功率水平下實現超快速光學切換。

李赫解釋道：“通過強迫光與原子薄的 MoSe₂層中的物質強耦合，我們能夠有效地使光子相互作用，並利用非常少的光學能量改變系統的行為。我們通過創建一種稱為激子-極化子的混合狀態來實現這一點。這些是‘半光、半物質’的準粒子，繼承了兩者的最佳特性：因為它們是部分光子，因此可以以光速傳播；而因為它們是部分物質（激子），因此顯示出透過其基底激子進行的相互作用。”

根據研究團隊的説法，納米腔充當了一個超精確的光捕獲裝置，將極化子壓縮到一個微小的空間中，顯著增強粒子之間的相互作用。該系統使用約 4 飛焦耳的能量實現光學切換。研究人員表示，該平台最終可以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。李赫指出：“我們展示了在極低光強度下切換光的途徑，向光子相互作用所需的能量基本限度邁進。”

他進一步強調：“至關重要的是，我們的平台設計為可大規模生產。通過使用可以利用標準製造技術進行圖案化的材料和結構，我們展示了這些二維材料設備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的光學元件的晶片開啟了大門。”目前，研究團隊正在進一步優化納米結構，以進一步降低切換閾值，並探索將多個納米腔連接成更大光學處理電路的方式。相關研究結果已發表在《物理評論快報》上。