重大突破!物理学家使电子纳米激光变得更小
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发布时间：2022-12-02 16:18
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时间：2023-11-11 00:23
光信号在1980年代彻底改变了信息技术，当时光纤开始取代铜线，使数据传输速度提高了几个数量级。由于光通信依赖于光(频率为数百太赫兹的电磁波)，因此它允许通过单根光纤每秒传输数TB的数据，大大优于电互连。
光纤是现代互联网的基础，但是光可以为我们做更多的事情。甚至可以在超级计算机，工作站，智能手机和其他设备的微处理器内部将其付诸实践。这要求使用光通信线来互连纯电子组件，例如处理器核心。结果，大量信息几乎可以立即在整个芯片上传输。
摆脱数据传输的*，可以通过堆叠更多的处理器内核来直接提高微处理器性能，以至于创建一个1,000核处理器，其速度实际上是其10核处理器的100倍。半导体行业巨头IBM，HP，Intel，Oracle等。反过来，这将有可能在单个芯片上设计出真正的超级计算机。
挑战是在纳米级连接光学和电子设备。为了实现这一点，光学组件不能大于数百纳米，这比人的头发宽度小约100倍。此大小*也适用于片上激光器，这对于将信息从电信号转换为承载数据位的光脉冲是必需的。
然而，光是一种具有数百纳米波长的电磁辐射。量子不确定性原理说，光粒子或光子可以在其中存在一定的最小体积。它不能小于波长的立方。简而言之，如果使激光太小，光子将无法容纳其中。就是说，有种方法可以绕开光学器件尺寸的*，即衍射极限。解决方案是用表面等离激元极化子或SPP代替光子。
SPP是局限在金属表面并与周围电磁场相互作用的电子的集体振动。只有少数几种称为等离子金属的金属可与SPP配合使用：金，银，铜和铝。就像光子一样，SPP是电磁波，但在相同的频率下，它们的定位要好得多-也就是说，它们占用的空间较小。使用SPP代替光子可以“压缩”光，从而克服衍射极限。
使用当前技术已经可以设计出真正的纳米级等离子激元激光器。然而，这些纳米激光是被光泵浦的，也就是说，它们必须被外部的大功率和高功率激光照射。这对于科学实验可能很方便，但不在实验室之外。打算用于大规模生产和实际应用的电子芯片必须结合数百个纳米激光，并在普通的印刷电路板上运行。实际的激光器需要电泵浦，或者换句话说，由普通电池或直流电源供电。到目前为止，由于通常无法维持液氮冷却，因此此类激光器仅可用作在低温下运行的设备，不适用于大多数实际应用。
莫斯科物理与技术研究所(MIPT)和伦敦国王学院的物理学家提出了一种替代传统方式电泵工作的方法。通常，纳米级激光器的电泵方案需要由钛，铬或类似金属制成的欧姆接触。此外，该接触必须是谐振器的一部分，即产生激光辐射的体积。这样的问题是钛和铬强烈吸收光，这损害了谐振器的性能。这样的激光器具有高的泵浦电流并且容易过热。这就是为什么需要低温冷却以及随之而来的所有不便之处。
提出的用于电泵的新方案基于具有隧道肖特基接触的双异质结构。这使得与其强吸收金属的欧姆接触变得多余。现在，泵浦发生在等离子金属与半导体之间的界面上，SPP沿着该界面传播。“我们新颖的泵浦方法可以将电驱动激光器带到纳米级，同时保持其在室温下运行的能力。与此同时，与其他电泵纳米激光器不同，辐射可以有效地定向到光子或等离子波导，使纳米激光适合集成电路。”来自MIPT的光子学和二维材料中心的Dmitry Fedyanin博士评论道。
研究人员提出的等离子纳米激光在其三个维度上都比其发射的光的波长小。此外，纳米激光中SPP所占据的体积比立方光的波长小30倍。根据研究人员的说法，他们的室温等离子体纳米激光可以很容易地做得更小，使其特性更加令人印象深刻，但这是以无法有效地将辐射提取到总线波导中为代价的。因此，尽管进一步的小型化将使得该装置不能很好地应用于片上集成电路，但是对于化学和生物传感器以及近场光学光谱学或光遗传学来说仍然是方便的。
尽管具有纳米级尺寸，但纳米激光的预测输出功率总计超过100微瓦，可与更大的光子激光器相媲美。如此高的输出功率允许每个纳米激光每秒传输数百吉比特，从而消除了高性能微芯片的最大障碍之一。其中包括各种高端计算设备：超级计算机处理器，图形处理器，甚至将来还会发明的一些小工具。
