世界首個(gè)表面等離激元電路問世 或可取代集成電路

如何在納米尺寸的集成芯片上實(shí)現(xiàn)像操縱電子一樣來操控光子是光電子技術(shù)未來發(fā)展的關(guān)鍵。德國維爾茨堡大學(xué)的物理學(xué)家近日成功研發(fā)出世界首個(gè)表面等離激元電路，在可能取代“集成電路”的新一代信息技術(shù)領(lǐng)域取得進(jìn)展。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，多年前就不再提高經(jīng)典處理器的時(shí)鐘頻率，增加計(jì)算能力只能通過應(yīng)用多個(gè)處理器內(nèi)核這樣的方式來實(shí)現(xiàn)。因此科學(xué)家一直在尋找新的策略，這其中使用光子工作的光學(xué)轉(zhuǎn)換電路似乎很有前途，因?yàn)樗鼈兛赡苓m用于量子計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。這樣超快的計(jì)算機(jī)現(xiàn)在還沒有，但在全球范圍內(nèi)都在研究如何實(shí)現(xiàn)它。

現(xiàn)在，這種光學(xué)電路的一個(gè)基本步驟已經(jīng)被德國維爾茨堡大學(xué)的貝爾特·赫希特教授和托比亞斯·布里克斯納教授的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)。他們成功將光信號(hào)通過天線注入波導(dǎo)管，然后傳輸至另一端經(jīng)第二個(gè)天線再輸出。

這是世界上第一個(gè)簡單的表面等離激元電路。它由一個(gè)約200納米長的天線構(gòu)成，可以高效捕捉自由光子，并把它轉(zhuǎn)換成等離激元震蕩。光天線連接著2根長約3微米、彼此平行的細(xì)金線，這樣載波可用雙定義的模式傳播。將來利用該現(xiàn)象可以控制等離激元的運(yùn)動(dòng)方向，而這用電子是不可能實(shí)現(xiàn)的。

電路中的光子不是自由釋放的，而是一定條件下在高導(dǎo)電金屬例如金的表面產(chǎn)生的受控光子。在那里，入射光可產(chǎn)生等離激元電子振蕩，通過波導(dǎo)管傳輸?shù)搅硪粋€(gè)位置后又重新激發(fā)出光。這樣的表面等離激元行為看起來就像在釋放光子一樣，不過現(xiàn)在還只能局限在非常小的空間中。

該研究的特別之處在于：成功地在微小結(jié)構(gòu)中進(jìn)行光信號(hào)的傳輸，天線和波導(dǎo)管尺寸僅為幾百納米，因此這一方法可以集成到當(dāng)今的微電子中，在這么小的尺寸下人們通常無法處理光子。赫希特說：“它們很難被強(qiáng)行進(jìn)入狹小的空間。因此，直到現(xiàn)在要將光子技術(shù)和常用的芯片技術(shù)結(jié)合還是很困難。”

從物理學(xué)角度來看，新研究還只是在實(shí)現(xiàn)完整的光學(xué)電路上邁出了一小步，但他們的研究結(jié)果提供了一個(gè)基礎(chǔ)，未來等離波導(dǎo)將成為一個(gè)非常激動(dòng)人心的研究領(lǐng)域。

人們用玻璃纖維傳遞光子，已經(jīng)幾十年了，如果類似的通信辦法在集成電路里實(shí)現(xiàn)，金屬導(dǎo)線將失去根據(jù)地，我們也能用上更快卻不發(fā)熱的CPU。但至今科學(xué)家沒找到合適的技術(shù)方案。在毫微之間移動(dòng)光子，可不像筷子夾鵪鶉蛋那么容易。這次德國人結(jié)合了波導(dǎo)管和天線，讓光子可在幾百納米的“橋”上暢通不誤。雖是一小步，卻是向未知方向的邁進(jìn)。在其啟發(fā)下，光子電路研發(fā)會(huì)有更多樣化的探索。