德国维尔茨堡的研究人员揭示了一种具有表面属性可电调的纳米尺度光天线的突破性发明。这一创新可能会导致计算机芯片的发展变得更加快速。
当前的计算机正面临物理速度限制。大多数半导体组件的最大频率只能达到几千兆赫，这转化为每秒数十亿次计算。这使得现代系统依赖多个芯片来管理任务，因为提高单个芯片的速度已不再可行。然而，在计算机芯片中利用光（光子）而不是电（电子）有可能将速度提升至1000倍。
等离子共振器，通常被称为“光天线”，为实现这一速度提升提供了一个有前景的途径。这些微小的金属结构使光与电子之间能够发生相互作用，并且它们的设计可以让它们与不同频率的光进行互动。
德国巴伐利亚州朱利叶斯-马克西米利安大学（JMU）物理学家托尔斯滕·费赫特纳博士指出：“问题在于我们尚不能对等离子共振器进行有效调制，这与传统电子学中的晶体管不同。这一限制阻碍了基于光的快速开关的开发。”
电荷光天线的进展
来自JMU的一个研究团队与丹麦南部大学（SDU）在奥登塞合作，在光天线的调制方面取得了重大进展。他们成功实现了电调制，朝着超快主动等离子体学和更快的计算机芯片的发展迈出了一步。他们的研究成果发表于期刊《科学进展》（Science Advances）。
该团队没有改变整个共振器，而是集中在修改其表面属性上。他们通过电接触一个单一的等离子共振器，具体而言是一个金纳米条来实现这一点。尽管这一概念很简单，其实现却需要利用氦离子束和金纳米晶体的先进纳米制造技术。这一创新的制造过程是在JMU实验物理（生物物理）教授贝特·赫希特的领导下开发的。配备锁相放大器的高精度测量方法对于识别共振器表面上的微小但重要的效应至关重要。
研究负责人托尔斯滕·费赫特纳博士解释说：“我们所利用的现象类似于法拉第笼。就像在雷电击中时，电子在汽车外部聚集以保护乘客一样，表面过量电子会影响共振器的光学特性。”
意想不到的量子现象
以前，光天线主要是通过经典物理理解的：金属中的电子会在纳米粒子的边缘停止，就像水在码头上停留一样。然而，维尔茨堡研究人员的测量表明共振变化无法用经典理论解释。相反，电子似乎在金属和空气的交界处“扩展”，创造出类似沙滩与海洋相遇的渐变过渡。
为了解释这些量子现象，SDU奥登塞的理论家们创建了一个半经典模型，将量子特性整合为一个表面参数，允许以经典方法进行计算。“通过改变表面的响应函数，我们将经典和量子效应融合为一个统一模型，从而增强我们对表面相互作用的理解，”JMU的物理学家及研究的首席作者卢卡·祖拉克表示。
前景广阔的新研究领域
尽管新模型成功模拟了实验，但金属表面上微观量子效应的具体情况仍不确定。“然而，这项研究使我们能够首次针对新天线进行有针对性的设计，从而放大或抑制特定的量子效应，”托尔斯滕·费赫特纳表示。
展望未来，研究人员预见到更广泛的应用：较小的共振器可能会导致高效的光调制器在技术中的使用。此外，利用新引入的系统还可以探索表面电子对催化过程的影响，可能为能源转换和存储技术提供新的见解。
