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斯坦福大学的研究人员正在开发一种纳米级的光子二极管,这种二极管将有助于光而不是电驱动的技术。(图片来源:Getty Images)
斯坦福大学的研究人员正在开发一种纳米级的光子二极管,这种二极管将有助于光而不是电驱动的技术。(图片来源:Getty Images)

文摘:
更快、更高效的信息处理的未来可能会变得光明而不是电力。斯坦福大学(Stanford)材料科学与工程博士后学者马克·劳伦斯(Mark Lawrence)已经向这个未来迈进了一步,他设计了一种光子二极管——一种允许光只向一个方向流动的装置——与其他基于光的二极管不同,这种二极管对于消费电子产品来说足够小。

开发光驱动技术

斯坦福,加利福尼亚州发布于2019年7月24日

他所要做的就是设计出比微观结构更小的结构,打破物理学的基本对称性。

“二极管在现代电子学中无处不在,从LED(发光二极管)到太阳能电池(本质上是反向运行的LED),再到用于计算和通信的集成电路,”材料科学与工程副教授、论文高级作者Jennifer Dionne说,7月24日发表在《自然通讯》杂志上。“实现紧凑、高效的光子二极管对于实现下一代计算、通信甚至能量转换技术至关重要。”

此时,迪翁和劳伦斯设计了新的光子二极管,并用计算机模拟和计算来检验他们的设计。他们还创造了必要的纳米结构——定制的比微观组件更小的结构——并且正在安装光源,他们希望这将使他们的理论系统复活。

劳伦斯说:“一个宏伟的愿景是拥有一台全光计算机,在这里电完全被光取代,光子驱动所有信息处理。”“光的速度和带宽的增加将使一些最困难的科学、数学和经济问题得到更快的解决。”

轻纺,违法

光基二极管的主要挑战有两个方面。首先,遵循热力学定律,光应该通过一个没有运动部件的物体向前移动,就像它向后移动一样。使它朝一个方向流动需要新的材料来推翻这个定律,打破所谓的时间反转对称。其次,光比电更难操纵,因为它没有电荷。

其他的研究人员先前已经通过将光穿过偏振器来应对这些挑战,偏振器使光波在一个均匀的方向上振荡,然后通过磁场中的晶体材料来旋转光的偏振。vwin徳赢官网最后,另一个与偏振相匹配的偏振器将光带出近乎完美的透射。如果光以相反的方向穿过装置,就没有光出来。

劳伦斯描述了这种由三部分组成的装置的单向作用,称为法拉第隔离器,类似于在两扇门之间移动人行道,人行道起着磁场的作用。即使你试着从最后一扇门往回走,人行道通常也会阻止你到达第一扇门。

为了产生足够强的光偏振旋转,这些二极管必须相对较大-太大,不适合消费电脑或智能手机。作为另一种选择,迪翁和劳伦斯提出了一种用另一束光束而不是磁场在晶体中产生旋转的方法。这束光是偏振的,因此它的电场呈螺旋运动,而螺旋运动又在晶体中产生旋转的声波振动,使其具有类似磁性的旋转能力,并使更多的光能够发出。为了使这种结构既小巧又高效,迪安实验室依靠其在用微型纳米天线和称为亚表面的纳米结构材料操纵和放大光方面的专业知识。

研究人员设计了一组超薄的硅片,它们成对工作,捕捉光线,增强光线的螺旋运动,直到光线找到出路。这将导致向前方向的高传输。当在向后方向上照明时,声学振动在相反的方向上旋转,并有助于抵消试图退出的任何光。理论上,这个系统的规模是无限的。在他们的模拟中,他们设想结构薄到250纳米。(作为参考,一张纸大约有100000纳米厚。)

有什么可能

总的来说,研究人员特别感兴趣的是他们的想法如何影响大脑类计算机(称为神经形态计算机)的发展。这一目标还需要在其他基于光的组件上取得进一步的进展,如纳米级光源和开关。

Dionne说:“我们的纳米光子装置可能使我们能够模拟神经元的计算方式,使计算具有与大脑同样高的互联性和能量效率,但计算速度要快得多。”

劳伦斯说:“我们可以从很多方面考虑这些想法。”“我们还没有发现经典或量子光学计算和光信息处理的局限性。总有一天,我们会有一种全光芯片,可以做所有电子产品所做的一切,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,也是斯坦福大学吴仔神经科学研究所的成员。

这项研究是由空军科学研究办公室、国家科学基金会和阿尔弗雷德·P。斯隆基金会。

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