由勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）、哥倫比亞大學和馬德里自治大學共同領導的研究團隊，成功利用光子雪崩納米粒子開發(fā)出一種新型光學計算材料。這項突破性成果近期發(fā)表于《自然·光子學》雜志，為在納米尺度（與當前微電子器件尺寸相當）制造光學存儲器和晶體管鋪平了道路。通過利用名為"本征光學雙穩(wěn)態(tài)"的光學現象，該方法為實現更小、更快的下一代計算機組件提供了可能。

伯克利實驗室Molecular Foundry科學家、論文共同第一作者Emory Chan表示：“這是首次在納米材料中實際驗證本征光學雙穩(wěn)態(tài)的存在，我們不僅能夠穩(wěn)定制備這類材料，更能深入理解其反直覺的特性，這對實現規(guī)模化光學計算機至關重要。”

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

該研究是伯克利實驗室通過新材料與新技術推動更小、更快、更節(jié)能微電子器件發(fā)展的整體戰(zhàn)略的重要組成部分。

數十年來，科學家們一直致力于研發(fā)以光代電的新型計算機。具有本征光學雙穩(wěn)態(tài)（IOB）的材料——即能夠通過光信號在兩種狀態(tài)（如高亮發(fā)光與完全熄滅）間切換的特性——有望成為光學計算機的核心組件。但此前研究中的光學雙穩(wěn)態(tài)主要出現在大塊材料中，其尺寸遠超微芯片需求且難以量產。雖偶有納米級IOB的報道，但其機理尚不明確，通常歸因于納米粒子發(fā)熱效應，這種方式效率低下且難以控制。

然而，Chan及其團隊的最新研究表明，新型光子雪崩納米粒子有望突破納米級IOB的實現難題。在伯克利實驗室分子鑄造廠（納米科學用戶設施）的實驗中，研究人員采用摻釹（一種常用于激光器的稀土元素）的鉀-鉛-鹵化物材料制備出30納米納米粒子。當使用紅外激光激發(fā)時，這些粒子展現出"光子雪崩"現象：激光功率的微小提升會導致粒子發(fā)光強度呈現不成比例的巨幅增長。該團隊早在2021年的開創(chuàng)性論文中就發(fā)現了這種"極端非線性"特性，當時實驗顯示激光功率倍增可使發(fā)光強度激增萬倍。

在最新研究中，團隊發(fā)現新型納米粒子的非線性強度是原始雪崩粒子的三倍有余。Chan強調道："這是迄今觀測到的材料最高非線性值。"更令人驚訝的是，進一步實驗表明這些粒子不僅能在超過特定激光閾值時展現雪崩特性，即使在功率回落至閾值以下仍持續(xù)發(fā)光，僅在極低功率下完全熄滅。這意味著這些微小粒子正是納米科學家長期追尋的IOB材料。

Chan解釋道，"開啟"與"關閉"閾值之間的顯著差異表明，在中間功率區(qū)間，納米粒子的明暗狀態(tài)僅取決于其歷史狀態(tài)。這種無需改變材料本身即可切換光學特性的能力，使其有望成為納米級光存儲器（特別是易失性隨機存取存儲器）的理想候選。

為探究雙穩(wěn)態(tài)的物理機制，研究人員通過計算機建模首次揭示：納米粒子的IOB并非源自熱效應，而是源于光子雪崩的極端非線性特性，以及抑制粒子振動的獨特結構。未來研究將聚焦光學雙穩(wěn)態(tài)納米材料的新應用探索，并尋求具有更高環(huán)境穩(wěn)定性和光學雙穩(wěn)態(tài)的新型納米粒子配方。

Molecular Foundry是伯克利實驗室旗下的納米科學用戶設施。本研究獲美國能源部科學辦公室資助，并得到國防高級研究計劃局（DARPA）及國家科學基金會的額外支持。

相關鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-024-01577-x