其开关过程可由外部激光脉冲控制。

德国研究人员展示了一款由超薄半导体层制成的极速光开关，其运行速度比当今电子晶体管快约1万倍。这款由奥尔登堡大学物理学家团队设计的新型光学器件，可作为光开关或光晶体管使用。研究人员指出，超快光开关为光学数据处理提供了广阔前景。

该原型器件被描述为一种纳米结构的"活性超材料"，由银和原子级厚度的半导体层构成，能在飞秒级（即千万亿分之一秒）时间尺度上控制光信号。

奥尔登堡大学实验物理学教授、研究主要作者克里斯托夫·利瑙博士表示："如果要在纳米尺度上制造超快光开关，我们的发现具有特殊意义。"

纳米尺度光学

利瑙与研究团队致力于寻找一种反射特性可在数飞秒内通过聚焦激光束调控的材料。作为参照，1飞秒等于十亿分之一秒的百万分之一。

研究团队采用超薄银纳米狭缝阵列，在其表面铣削出平行凹槽网格，每个凹槽的宽度和深度约为45纳米。参与研究的英国剑桥大学科学家随后在该结构表面覆盖仅三个原子厚度的半导体晶体二硫化钨单分子层。

令科学家惊讶的是，这种纳米结构对光展现出非凡响应。利瑙指出："两种材料单独存在时都不具备开关效应。"但当组合成混合纳米结构后，它们就形成了所谓的"活性超材料"。

利瑙解释称，照射到纳米结构表面的光会短暂存储于一种混合量子态（激子-等离子体极化激元）约70飞秒，随后才被反射。在这种兼具光与物质特性的状态中，光以等离子体波形式在半导体表面传播，导致与材料中束缚电子-空穴对（即激子）产生强烈相互作用。

迈向光学计算

研究团队利用外部激光脉冲改变这种相互作用的强度。据报道，他们在初步实验中成功将反射光亮度改变达10%。研究人员、主要作者之一丹尼尔·蒂默博士表示："在光存储阶段，我们能够控制该材料层的反射率。"他与同事莫里茨·吉廷格博士随后使用二维电子光谱技术对此效应进行了研究。

该方法使他们能够以数飞秒的时间分辨率追踪量子相互作用，"就像观看电影一样"。利瑙强调："当前研究中，我们首次使用短于观测开关过程的光脉冲对超材料进行研究。"

利瑙表示，超快光开关能大幅提升单位时间内的数据传输量。相比之下，数百万计算机和LED电视使用的电子晶体管开关速度要慢约千倍。研究团队认为，光学技术是提升传统计算机时钟频率的唯一途径。利瑙指出，纳米级超快光开关还有望为芯片制造、光学传感器和量子计算机开辟新可能。

利瑙总结称："主要任务将是设计、定制和优化活性超材料，以实现这些应用前景。"

该研究成果已发表于《自然·纳米技术》期刊。

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