工程师们开发了一种多功能、可重构的光计算系统组件，这可能会在电子学领域带来变革。
尽管现代电子产品的速度已经很快，但如果它们的操作是基于光而非电，速度可以更快。光纤电缆已经以光速传输信息；为了对这些信息进行计算而不将其转换回电信号，将需要一系列新的光学组件。
犹他大学的工程研究人员现在开发了这样的设备——一种能够实时调整，使光具有不同程度的圆偏振的设备。由于信息可以存储在一种称为手性(light chirality)的光的特性中，研究人员的设备可以作为光计算系统的多功能、可重构组件。
由电气与计算机工程系的助理教授高为璐（Weilu Gao）和他的博士候选人范继超（Jichao Fan）领导的研究团队，在《自然通讯》(Nature Communications) 期刊上发表了展示该设备的研究。
手性光是指表现出“手性”的电磁波；它们可以是左旋或右旋的。这种“手性”源于光传播过程中磁场的旋转，形成螺旋结构。
“传统的手性光学就像雕刻的石头——漂亮但静止，”高为璐说。“这使得它们不适用于需要实时控制的应用，例如可重构光计算或自适应传感器。”
“我们创造了‘活’的光学物质，它随着电脉冲而变化，”范继超说，“这得益于我们的对齐碳纳米管相变材料异质结构，它将光的操控和记忆合并为一个单一的可扩展平台。”
这个“异质结构”由多层不同的薄膜堆叠而成，包括一组不同方向的对齐碳纳米管。堆叠中的其他薄膜由锗-锑-碲（Germanium-antimony-tellurium）构成，这是一种众所周知的“相变材料”（PCM）。在碳纳米管层上施加电脉冲会引入热量，从而导致PCM层的内部结构从无定形转变为晶态。
“碳纳米管同时作为手性光学元件和PCM开关的透明电极——消除了对单独控制组件的需求，”范继超说。
关键是，这种变化修饰了异质结构的圆二色性（circular dichroism），这意味着它可以在不同强度下吸收不同类型的圆偏振光。研究小组在制造技术和人工智能辅助设计方面的进展，使这些层能够组装成叠层异质结构而不损害其各自的光学特性。
一旦组装完成，这些层会根据PCM层的状态选择性地减少通过它们的左旋或右旋圆偏振光的量。而且，由于这一相变可以通过电脉冲来启动，结构的整体圆二色性可以实时调整。
研究人员能够在晶圆级上实现，因为对齐碳纳米管和相变材料薄膜的可扩展制造。
能够修改设备的圆二色性使研究人员能够细致控制圆偏振光的扭曲方向，这意味着其“手性”可以用作光电路中的记忆。除了光的速度优势外，光还有其他特性，信息可以并行存储。
“通过将圆二色性作为独立参数，我们创建了一个正交信息通道，”高为璐说。“调整它不会干扰其他特性，如幅度或波长。”
这项研究得到了国家科学基金会的支持，资助号分别为2230727、2235276、2316627和2321366。
