研究人员利用光子雪崩纳米粒子开发了一种新的光学计算材料。
由劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）、哥伦比亚大学和马德里自治大学共同领导的研究团队开发了一种新的光学计算材料，该材料由光子雪崩纳米粒子组成。
这一突破——研究团队最近在期刊《自然光子学》上发表——为在与当前微电子技术相当的纳米级别上制造光学存储器和晶体管铺平了道路。这种方法利用一种称为“内在光学双稳态”的光学现象，为实现下一代计算机中更小、更快的组件提供了一条途径。
研究的共同主笔、伯克利实验室分子工厂的员工科学家埃莫里·陈（Emory Chan）表示：“这是在纳米尺度材料中首次实际演示内在光学双稳态。我们能够重复制作这些材料并理解它们不直观的特性，对大规模实现光学计算机至关重要。”
这项工作是伯克利实验室在新材料和技术方面推进更小、更快和更节能微电子设备的更广泛努力的一部分。
几十年来，研究人员一直在寻求一种使用光而非电力的计算机。具有内在光学双稳态（IOB）的材料——这一特性使得材料能够利用光在两种不同状态之间切换，如发光和不发光——可以作为光学计算机的组件。然而，在以往的研究中，光学双稳态几乎只在体积材料中观察到，这些材料太大，不适合微芯片，且难以大规模生产。而在早期对纳米尺度IOB的几项报道中，过程并不十分理解，并且认为是通过加热纳米粒子实现的，效率低且难以控制。
但现在，陈和团队最近的研究表明，新开发的光子雪崩纳米粒子可以克服在纳米尺度上实现IOB的这些挑战。
在伯克利实验室分子工厂进行的实验中，研究人员从掺铈的氯化铅钾材料中制造了30纳米的纳米粒子，这种稀土元素通常用于激光器中。
当将这些纳米粒子用红外激光光照激发时，它们表现出一种称为“光子雪崩”的现象，其中激光功率的小幅增加会导致纳米粒子发出的光呈现出巨大的、不成比例的增加。该团队在他们2021年的开创性论文中首次发现了这种光子雪崩纳米粒子的“极端非线性”，并证明将激光功率加倍会使发出光的强度增加10000倍。
在他们最新的研究中，团队发现他们的新纳米粒子比最初的雪崩纳米粒子更具非线性，达到了“有史以来在材料中观察到的最高非线性，”陈说。
令研究人员感到惊讶的是，进一步的实验表明，这些纳米粒子不仅在激发超过给定激光功率阈值时表现出光子雪崩特性，甚至在激光功率降低到该阈值以下时仍保持明亮发光，并且只有在激光功率非常低时才会完全关闭。换句话说，这些微小的雪崩纳米粒子似乎是长期困扰纳米科学家的IOB。
这些“开”和“关”阈值功率之间的巨大差异意味着在某些中间激光功率下，纳米粒子可以是明亮或黑暗的，仅取决于它们的历史，陈解释说。这种在不改变材料的情况下切换光学特性的能力表明，这些纳米粒子可能作为纳米尺度的光学存储器，特别是挥发性随机存取内存（RAM）。
为了寻求这些材料中突破性双稳态的起源，研究人员随后使用计算模型首次揭示出这些纳米粒子中的IOB并非由于纳米粒子的加热，而是源于光子雪崩的极端非线性和一种独特的结构，抑制了粒子的振动。
在未来的研究中，研究人员希望研究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光学双稳态的新纳米粒子配方。
分子工厂是伯克利实验室的一个纳米尺度科学用户设施。
这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。附加的资金由国防高级研究计划局（DARPA）和国家科学基金会提供。
