光开关纳米晶体点亮人工智能和计算的未来

研究人员发现了能在不同发光状态之间迅速切换的纳米晶体，为光学计算带来了可喜的进步。

这项技术将彻底改变数据处理和人工智能，使设备更快、更节能，同时拓展电信和医学成像领域的能力。

纳米晶体技术的突破

科学家们，包括俄勒冈州立大学的一名化学研究人员，在实现更快、更节能的人工智能和数据处理方面取得了重大突破。他们发现了可以在明暗状态之间快速切换的发光纳米晶体。

俄勒冈州立大学理学院助理教授 Artiom Skripka 说：“这些纳米晶体非凡的切换和记忆能力有朝一日可能会成为光学计算不可或缺的一部分——一种利用光粒子快速处理和存储信息的方法，而光粒子的传播速度比宇宙中任何东西都快。”

1月3日发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）上的这项研究由 Skripka 和来自劳伦斯伯克利国家实验室、哥伦比亚大学和马德里自治大学的合作者共同完成。他们的研究重点是雪崩纳米粒子，这是一种具有非凡发光特性的独特材料。

探索雪崩纳米颗粒

纳米材料是尺寸介于十亿分之一米到千亿分之一米之间的微小物质，而雪崩纳米粒子的发光特性具有极强的非线性——它们发出的光的强度可以随着激发它们的激光强度的微小增加而大幅增加。

研究人员研究了由钾、氯和铅组成并掺杂钕的纳米晶体。KPb2Cl5 纳米晶体本身并不与光发生相互作用；但是，作为宿主，它们能使钕客体离子更有效地处理光信号，从而使它们在光电子学、激光技术和其他光学应用中大显身手。

图片:Optical-Memory-Nanocrystals-scaled.png

光学双稳态纳米晶体可以存储完全通过光写入和读取的信息，使其可用于构建小型和可扩展的光学存储单元。这些纳米晶体由激光器控制：一个提供连续功率，而另一个触发它们在短暂脉冲后发光。此功能模拟电子晶体管的行为，并为光控制光的设备铺平了道路。

发光材料的奇特行为

Skripka 说：“通常，发光材料在受到激光激发时会发光，而在没有受到激光激发时则保持黑暗。相比之下，我们惊讶地发现，我们的纳米晶体过着平行的生活。在特定条件下，它们表现出一种奇特的行为： 在完全相同的激光激发波长和功率下，它们可以变亮，也可以变暗。”

这种行为被称为固有光学双稳态。纳米晶体的固有光学双稳态性是光子集成电路的一大进步，它可能会超越目前的电子和光电系统，并具有更高的效率。

推进高能效技术

Skripka说：“如果晶体一开始是暗的，我们就需要更高的激光功率来开启它们并观察发射，但一旦它们发射了，我们就可以用比开启它们所需的激光功率更低的激光功率来观察它们的发射。这就像骑自行车一样--要让自行车动起来，你必须使劲踩脚踏板，但一旦自行车动起来，你就不需要那么费力就能让它继续前进。它们的发光可以突然开启或关闭，就像按下按钮一样。”

他补充说，纳米晶体的低功耗开关功能与全球为减少人工智能、数据中心和电子设备日益增长的能耗所做的努力不谋而合。人工智能应用不仅需要强大的计算能力，还经常受到现有硬件的限制，而这项新研究也可以解决这一问题。

对光学计算的影响

Skripka 说：“集成具有内在光学双稳态性的光子材料可能意味着更快、更高效的数据处理器，从而增强机器学习算法和数据分析能力，这也意味着在电信、医疗成像和环境传感等领域使用的光基设备效率更高。”

此外，他还说，这项研究补充了现有的开发功能强大的通用光学计算机的工作，这些计算机是基于光和物质在纳米尺度上的行为，并强调了基础研究在推动创新和经济增长方面的重要性。

Skripka说：“我们的发现是一个令人兴奋的发展，但在我们的发现在实际应用中找到用武之地之前，还需要更多的研究来解决可扩展性和与现有技术整合等挑战。”

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01577-x