未来更快、更高效的信息处理可能要归功于光，而不是电。马克·劳伦斯在斯坦福大学材料科学与工程博士后学者,又迈出一步这未来计划做一个光子二极管——一种设备,允许光只在一个方向流动——与其他光学二极管、足够小的消费类电子产品。
斯坦福大学的研究人员正在开发一种纳米级光子二极管，这种二极管可以为光而非电驱动的技术做出贡献。(图片来源:Getty Images)
他所要做的就是设计比微观结构更小的结构，打破物理学的基本对称性。
“二极管在现代电子产品无处不在,从led(发光二极管)太阳能电池(实质上是发光二极管反向运行)为计算和通信集成电路,”詹妮弗·迪翁说,材料科学和工程学副教授,这篇论文的主要作者描述这项工作,7月24日发表在《自然通讯。“实现紧凑、高效的光子二极管对下一代计算、通信甚至能源转换技术至关重要。”
此时，迪翁和劳伦斯已经设计了新的光子二极管，并通过计算机模拟和计算验证了他们的设计。他们还创造了必要的纳米结构——自定义的比显微镜更小的组件——并安装了光源，他们希望将他们的理论系统带入生活。
劳伦斯说:“一个宏伟的设想是有一台全光计算机，在那里电力完全被光取代，光子驱动所有的信息处理。”“光速和带宽的提高将使一些最困难的科学、数学和经济问题得到更快的解决。”
旋光，违反法律
基于光的二极管的主要挑战有两个方面。首先，根据热力学定律，光应该通过一个没有运动部件的物体向前运动，就像它向后运动一样。要使它向一个方向流动，需要新的材料来推翻这一定律，打破所谓的时间反转对称性’。第二，光比电更难操纵，因为它没有电荷。
其他研究人员之前已经解决了这些难题，他们先让光通过偏振器(使光波在一个统一的方向振荡)，然后通过磁场中的晶体材料(使光的偏振发生旋转)。最后，另一个偏振器匹配的偏振引光与近乎完美的传输。如果光以相反的方向穿过设备，就不会有光出来。
劳伦斯描述了这个由三部分组成的装置的单向作用，即法拉第隔离器，类似于在两个门之间移动人行道，人行道在其中扮演磁场的角色。即使你想从最后一扇门往回走，人行道通常也会阻止你走到第一扇门。
为了产生足够强的光偏振旋转，这些二极管必须是相对较大的——太大了，不适合消费电脑或智能手机。另一种选择是，迪翁和劳伦斯提出了一种用另一束光而不是磁场来创造晶体旋转的方法。这种光束是极化的，因此它的电场呈螺旋运动，而螺旋运动反过来又在晶体中产生旋转的声波振动，使其具有磁性的旋转能力，并使更多的光能够发出。为了使这种结构既小又高效，迪翁实验室依靠其在操纵和放大光方面的专业知识，利用微小的纳米天线和称为元表面的纳米结构材料。
研究人员设计了超薄硅片阵列，它们成对工作，捕捉光线，增强其螺旋运动，直到光线找到出路。这导致了高传输在正向。当反向照射时，声波振动会向相反的方向旋转，并帮助抵消任何试图发出的光。理论上，这个系统的大小没有限制。在他们的模拟中，他们设想了250纳米的结构。(参考一下，一张纸大约有10万纳米厚。)
什么是可能的
从宏观上看，研究人员特别感兴趣的是，他们的想法可能如何影响被称为神经形态计算机的类脑计算机的发展。这一目标还需要在其他基于光的组件上取得额外的进展，比如纳米光源和开关。
迪翁说:“我们的纳米光子设备可以让我们模拟神经元的计算方式，使计算具有大脑同样的高互联性和能量效率，但计算速度要快得多。”
劳伦斯说:“我们可以把这些想法带到很多方面。“我们还没有发现经典或量子光学计算和光信息处理的极限。总有一天，我们会有一个全光芯片，可以做所有电子产品做的事情，甚至更多。”
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迪翁还是斯坦福大学生物x研究所的成员，该研究所是Precourt能源研究所的附属机构，也是斯坦福大学吴蔡神经科学研究所的成员。
这项研究由美国空军科学研究办公室、美国国家科学基金会和阿尔弗雷德·p·斯隆基金会资助。
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