新型光子雪崩纳米粒子或开启下一代光学计算机时代

由劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）、哥伦比亚大学和马德里自治大学共同领导的研究团队，成功利用光子雪崩纳米粒子开发出一种新型光学计算材料。这项突破性成果近期发表于《自然·光子学》杂志，为在纳米尺度（与当前微电子器件尺寸相当）制造光学存储器和晶体管铺平了道路。通过利用名为"本征光学双稳态"的光学现象，该方法为实现更小、更快的下一代计算机组件提供了可能。

伯克利实验室Molecular Foundry科学家、论文共同第一作者Emory Chan表示：“这是首次在纳米材料中实际验证本征光学双稳态的存在，我们不仅能够稳定制备这类材料，更能深入理解其反直觉的特性，这对实现规模化光学计算机至关重要。”

博士后研究员 Xiao Qi 在 Molecular Foundry 的激光室。

该研究是伯克利实验室通过新材料与新技术推动更小、更快、更节能微电子器件发展的整体战略的重要组成部分。

数十年来，科学家们一直致力于研发以光代电的新型计算机。具有本征光学双稳态（IOB）的材料——即能够通过光信号在两种状态（如高亮发光与完全熄灭）间切换的特性——有望成为光学计算机的核心组件。但此前研究中的光学双稳态主要出现在大块材料中，其尺寸远超微芯片需求且难以量产。虽偶有纳米级IOB的报道，但其机理尚不明确，通常归因于纳米粒子发热效应，这种方式效率低下且难以控制。

然而，Chan及其团队的最新研究表明，新型光子雪崩纳米粒子有望突破纳米级IOB的实现难题。在伯克利实验室分子铸造厂（纳米科学用户设施）的实验中，研究人员采用掺钕（一种常用于激光器的稀土元素）的钾-铅-卤化物材料制备出30纳米纳米粒子。当使用红外激光激发时，这些粒子展现出"光子雪崩"现象：激光功率的微小提升会导致粒子发光强度呈现不成比例的巨幅增长。该团队早在2021年的开创性论文中就发现了这种"极端非线性"特性，当时实验显示激光功率倍增可使发光强度激增万倍。

在最新研究中，团队发现新型纳米粒子的非线性强度是原始雪崩粒子的三倍有余。Chan强调道："这是迄今观测到的材料最高非线性值。"更令人惊讶的是，进一步实验表明这些粒子不仅能在超过特定激光阈值时展现雪崩特性，即使在功率回落至阈值以下仍持续发光，仅在极低功率下完全熄灭。这意味着这些微小粒子正是纳米科学家长期追寻的IOB材料。

Chan解释道，"开启"与"关闭"阈值之间的显著差异表明，在中间功率区间，纳米粒子的明暗状态仅取决于其历史状态。这种无需改变材料本身即可切换光学特性的能力，使其有望成为纳米级光存储器（特别是易失性随机存取存储器）的理想候选。

为探究双稳态的物理机制，研究人员通过计算机建模首次揭示：纳米粒子的IOB并非源自热效应，而是源于光子雪崩的极端非线性特性，以及抑制粒子振动的独特结构。未来研究将聚焦光学双稳态纳米材料的新应用探索，并寻求具有更高环境稳定性和光学双稳态的新型纳米粒子配方。

Molecular Foundry是伯克利实验室旗下的纳米科学用户设施。本研究获美国能源部科学办公室资助，并得到国防高级研究计划局（DARPA）及国家科学基金会的额外支持。

相关链接：https://doi.org/10.1038/s41566-024-01577-x