研究人員發(fā)現了能在不同發(fā)光狀態(tài)之間迅速切換的納米晶體，為光學計算帶來了可喜的進步。

這項技術將徹底改變數據處理和人工智能，使設備更快、更節(jié)能，同時拓展電信和醫(yī)學成像領域的能力。

納米晶體技術的突破

科學家們，包括俄勒岡州立大學的一名化學研究人員，在實現更快、更節(jié)能的人工智能和數據處理方面取得了重大突破。他們發(fā)現了可以在明暗狀態(tài)之間快速切換的發(fā)光納米晶體。

俄勒岡州立大學理學院助理教授 Artiom Skripka 說：“這些納米晶體非凡的切換和記憶能力有朝一日可能會成為光學計算不可或缺的一部分——一種利用光粒子快速處理和存儲信息的方法，而光粒子的傳播速度比宇宙中任何東西都快�！�

1月3日發(fā)表在《自然·光子學》（Nature Photonics）上的這項研究由 Skripka 和來自勞倫斯伯克利國家實驗室、哥倫比亞大學和馬德里自治大學的合作者共同完成。他們的研究重點是雪崩納米粒子，這是一種具有非凡發(fā)光特性的獨特材料。

探索雪崩納米顆粒

納米材料是尺寸介于十億分之一米到千億分之一米之間的微小物質，而雪崩納米粒子的發(fā)光特性具有極強的非線性——它們發(fā)出的光的強度可以隨著激發(fā)它們的激光強度的微小增加而大幅增加。

研究人員研究了由鉀、氯和鉛組成并摻雜釹的納米晶體。KPb2Cl5 納米晶體本身并不與光發(fā)生相互作用；但是，作為宿主，它們能使釹客體離子更有效地處理光信號，從而使它們在光電子學、激光技術和其他光學應用中大顯身手。

圖片:Optical-Memory-Nanocrystals-scaled.png

光學雙穩(wěn)態(tài)納米晶體可以存儲完全通過光寫入和讀取的信息，使其可用于構建小型和可擴展的光學存儲單元。這些納米晶體由激光器控制：一個提供連續(xù)功率，而另一個觸發(fā)它們在短暫脈沖后發(fā)光。此功能模擬電子晶體管的行為，并為光控制光的設備鋪平了道路。

發(fā)光材料的奇特行為

Skripka 說：“通常，發(fā)光材料在受到激光激發(fā)時會發(fā)光，而在沒有受到激光激發(fā)時則保持黑暗。相比之下，我們驚訝地發(fā)現，我們的納米晶體過著平行的生活。在特定條件下，它們表現出一種奇特的行為： 在完全相同的激光激發(fā)波長和功率下，它們可以變亮，也可以變暗�！�

這種行為被稱為固有光學雙穩(wěn)態(tài)。納米晶體的固有光學雙穩(wěn)態(tài)性是光子集成電路的一大進步，它可能會超越目前的電子和光電系統(tǒng)，并具有更高的效率。

推進高能效技術

Skripka說：“如果晶體一開始是暗的，我們就需要更高的激光功率來開啟它們并觀察發(fā)射，但一旦它們發(fā)射了，我們就可以用比開啟它們所需的激光功率更低的激光功率來觀察它們的發(fā)射。這就像騎自行車一樣--要讓自行車動起來，你必須使勁踩腳踏板，但一旦自行車動起來，你就不需要那么費力就能讓它繼續(xù)前進。它們的發(fā)光可以突然開啟或關閉，就像按下按鈕一樣。”

他補充說，納米晶體的低功耗開關功能與全球為減少人工智能、數據中心和電子設備日益增長的能耗所做的努力不謀而合。人工智能應用不僅需要強大的計算能力，還經常受到現有硬件的限制，而這項新研究也可以解決這一問題。

對光學計算的影響

Skripka 說：“集成具有內在光學雙穩(wěn)態(tài)性的光子材料可能意味著更快、更高效的數據處理器，從而增強機器學習算法和數據分析能力，這也意味著在電信、醫(yī)療成像和環(huán)境傳感等領域使用的光基設備效率更高�！�

此外，他還說，這項研究補充了現有的開發(fā)功能強大的通用光學計算機的工作，這些計算機是基于光和物質在納米尺度上的行為，并強調了基礎研究在推動創(chuàng)新和經濟增長方面的重要性。

Skripka說：“我們的發(fā)現是一個令人興奮的發(fā)展，但在我們的發(fā)現在實際應用中找到用武之地之前，還需要更多的研究來解決可擴展性和與現有技術整合等挑戰(zhàn)�！�

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