利用“光子雪崩”纳米粒子开发出新型光学计算材料

美国劳伦斯伯克利国家实验室、哥伦比亚大学和西班牙马德里自治大学联合团队在《自然·光子学》杂志上发表了一项突破性成果。他们利用“光子雪崩”纳米粒子开发出一种新型光学计算材料。这一发现为制造纳米级光学存储器和晶体管铺平了道路，同时也为实现下一代计算机更小、更快的组件提供了一条新途径。

光学双稳态允许材料通过光在两种不同状态（如明亮发光或完全不发光）之间切换。这对于构建光学计算机至关重要，但光学双稳态几乎只在块状材料中观察到，这些材料体积大且难以批量生产。

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研究人员在伯克利实验室分子铸造厂的激光室

“光子雪崩”纳米粒子克服了这些挑战，在纳米尺度上实现了固有光学双稳态。团队使用掺杂钕的钾铅卤化物，制造了30纳米的纳米粒子。当这些纳米粒子被红外激光激发时，会表现出“光子雪崩”现象，即激光功率的轻微增加都会导致纳米粒子发射光的巨大、不成比例的增加。

新纳米粒子的非线性比原始雪崩纳米粒子高出三倍，这是迄今为止在材料中观察到的最高非线性。进一步实验表明，这些纳米粒子不仅在高于给定激光功率阈值的激发下表现出“光子雪崩”特性，在激光功率降至该阈值以下时，它们仍会继续发出明亮的光，只有在非常低的激光功率下才会完全关闭。这意味着，纳米粒子可在亮或暗的状态之间切换。

这种“开”和“关”阈值功率之间的巨大差异，使得粒子可以用作纳米级光学存储器。未来，团队计划探索这些光学双稳态纳米材料的新应用，并寻找具有更高环境稳定性和更强光学双稳态的新配方。

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