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行數(shù)據(jù)處理時遇到了瓶頸。為此，光信號在進一步傳輸之前必須轉換成電信號進行處理。

而一種被稱為全光開關的設備可以利用光來控制其他光信號，而無需進行電氣轉換，從而節(jié)省了光纖通信的時間和能源。

密歇根大學領導的一個研究小組通過脈沖圓偏振光（像螺旋一樣扭曲）穿過襯有超薄半導體的光腔，展示了一種超快全光開關。這項研究最近發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

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原理和實驗系統(tǒng)

這種裝置可以作為標準的光學開關（打開或關閉控制激光器，切換相同偏振的信號光束），也可以作為一種稱為 “排他性OR（XOR）開關 ”的邏輯門（當一個光輸入順時針旋轉，另一個光輸入逆時針旋轉時產(chǎn)生輸出信號，但當兩個輸入相同時不產(chǎn)生輸出信號）。

該研究的第一作者、麻省理工大學物理學博士生Lingxiao Zhou說：“由于開關是任何信息處理單元最基本的構件，因此全光開關是實現(xiàn)全光計算或構建光神經(jīng)網(wǎng)絡的第一步。”

光計算的低損耗使其比電子計算更受歡迎。

馬薩諸塞大學電氣工程 Peter A. Franken 特聘教授、該研究的主要作者 Stephen Forrest 說：“極低的功耗是光計算成功的關鍵。我們團隊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行數(shù)據(jù)交換。”

為了實現(xiàn)這一目標，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，將激光強度提高了兩個數(shù)量級。

當光腔中嵌入一分子厚的半導體二硒化鎢（WSe2）層時，強烈的振蕩光擴大了半導體中可用電子的電子帶--這種非線性光學效應被稱為光學斯塔克效應。這意味著，當電子躍遷到更高的軌道時，它會吸收更多的能量，而當它向下躍遷時，則會發(fā)射更多的能量，這就是所謂的藍移。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，光學斯塔克效應還產(chǎn)生了一個偽磁場，它對電子波段的影響與磁場類似。其有效強度為 210 特斯拉，遠遠強于地球上強度為 100 特斯拉的最強磁鐵。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對稱性的東西。從本質(zhì)上講，時間反轉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，因為能量會通過摩擦力等力量耗散，但如果你能拍攝一段電子旋轉的視頻，那么無論你是向前還是向后播放，它都會遵守物理定律--單向旋轉的電子會變成能量相同的反向旋轉的電子。但在偽磁場中，時間反轉對稱性被打破了，因為如果倒帶，旋轉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、麻省理工大學物理與電子和計算機工程系教授Hui Deng說：“我們的研究成果為許多新的可能性打開了大門，無論是在基礎科學領域，控制時間反轉對稱性是創(chuàng)造奇異物質(zhì)狀態(tài)的必要條件；還是在技術領域，利用如此巨大的磁場成為可能�！�

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-024-52014-0