全光開關(guān)為更快的光纖通信鋪平道路現(xiàn)代高速互聯(lián)網(wǎng)利用光通過光纜快速、可靠地傳輸大量數(shù)據(jù),但目前光信號在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時遇到了瓶頸。為此,光信號在進(jìn)一步傳輸之前必須轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行處理。 而一種被稱為全光開關(guān)的設(shè)備可以利用光來控制其他光信號,而無需進(jìn)行電氣轉(zhuǎn)換,從而節(jié)省了光纖通信的時間和能源。 密歇根大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組通過脈沖圓偏振光(像螺旋一樣扭曲)穿過襯有超薄半導(dǎo)體的光腔,展示了一種超快全光開關(guān)。這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。 原理和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 這種裝置可以作為標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)開關(guān)(打開或關(guān)閉控制激光器,切換相同偏振的信號光束),也可以作為一種稱為 “排他性O(shè)R(XOR)開關(guān) ”的邏輯門(當(dāng)一個光輸入順時針旋轉(zhuǎn),另一個光輸入逆時針旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生輸出信號,但當(dāng)兩個輸入相同時不產(chǎn)生輸出信號)。 該研究的第一作者、麻省理工大學(xué)物理學(xué)博士生Lingxiao Zhou說:“由于開關(guān)是任何信息處理單元最基本的構(gòu)件,因此全光開關(guān)是實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算或構(gòu)建光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一步! 光計(jì)算的低損耗使其比電子計(jì)算更受歡迎。 馬薩諸塞大學(xué)電氣工程 Peter A. Franken 特聘教授、該研究的主要作者 Stephen Forrest 說:“極低的功耗是光計(jì)算成功的關(guān)鍵。我們團(tuán)隊(duì)所做的工作恰恰解決了這個問題,利用非同尋常的二維材料,以極低的單位比特能量進(jìn)行數(shù)據(jù)交換! 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),研究人員通過光腔——一組能多次捕捉和來回反彈光線的鏡子——以一定的間隔脈沖螺旋激光,將激光強(qiáng)度提高了兩個數(shù)量級。 當(dāng)光腔中嵌入一分子厚的半導(dǎo)體二硒化鎢(WSe2)層時,強(qiáng)烈的振蕩光擴(kuò)大了半導(dǎo)體中可用電子的電子帶--這種非線性光學(xué)效應(yīng)被稱為光學(xué)斯塔克效應(yīng)。這意味著,當(dāng)電子躍遷到更高的軌道時,它會吸收更多的能量,而當(dāng)它向下躍遷時,則會發(fā)射更多的能量,這就是所謂的藍(lán)移。這反過來又改變了信號光的通量,即單位面積上傳遞或反射的能量。 除了調(diào)制信號光之外,光學(xué)斯塔克效應(yīng)還產(chǎn)生了一個偽磁場,它對電子波段的影響與磁場類似。其有效強(qiáng)度為 210 特斯拉,遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于地球上強(qiáng)度為 100 特斯拉的最強(qiáng)磁鐵。只有那些自旋與光的螺旋度對齊的電子才能感受到這股巨大的力量,從而暫時分裂出不同自旋方向的電子帶,將對齊電子帶中的電子導(dǎo)向同一方向。 研究小組可以通過改變光的扭曲方向來改變不同自旋電子帶的排序。 不同電子帶中電子短暫的統(tǒng)一自旋方向性也打破了一種叫做時間反轉(zhuǎn)對稱性的東西。從本質(zhì)上講,時間反轉(zhuǎn)對稱性意味著一個過程的基本物理原理前后相同,這意味著能量守恒。 雖然我們通常無法在宏觀世界中觀察到這一點(diǎn),因?yàn)槟芰繒ㄟ^摩擦力等力量耗散,但如果你能拍攝一段電子旋轉(zhuǎn)的視頻,那么無論你是向前還是向后播放,它都會遵守物理定律--單向旋轉(zhuǎn)的電子會變成能量相同的反向旋轉(zhuǎn)的電子。但在偽磁場中,時間反轉(zhuǎn)對稱性被打破了,因?yàn)槿绻箮,旋轉(zhuǎn)方向相反的電子具有不同的能量——不同自旋的能量可以通過激光來控制。 該研究的通訊作者、麻省理工大學(xué)物理與電子和計(jì)算機(jī)工程系教授Hui Deng說:“我們的研究成果為許多新的可能性打開了大門,無論是在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域,控制時間反轉(zhuǎn)對稱性是創(chuàng)造奇異物質(zhì)狀態(tài)的必要條件;還是在技術(shù)領(lǐng)域,利用如此巨大的磁場成為可能! 相關(guān)鏈接:https://phys.org/news/2024-10-optical-device-paves-faster-fiber.html 論文鏈接:https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-52014-0 |
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