“光子雪崩”納米粒子帶來新計算材料

科技日報北京2月27日電 （記者張夢然）美國勞倫斯·伯克利實驗室、哥倫比亞大學和西班牙馬德里自治大學聯合團隊在《自然·光子學》雜誌上發表了一項突破性成果。他們利用“光子雪崩”納米粒子開發出一種新型光學計算材料。這一發現為製造納米級光學存儲器和晶體管鋪平了道路，同時也為實現下一代計算機更小、更快的組件提供了一條新途徑。

光學雙穩態允許材料通過光在兩種不同狀態（如明亮發光或完全不發光）之間切換。這對於構建光學計算機至關重要，但光學雙穩態幾乎只在塊狀材料中觀察到，這些材料體積大且難以批量生產。

“光子雪崩”納米粒子克服了這些挑戰，在納米尺度上實現了固有光學雙穩態。團隊使用摻雜釹的鉀鉛鹵化物，製造了30納米的納米粒子。當這些納米粒子被紅外激光激發時，會表現出“光子雪崩”現象，即激光功率的輕微增加都會導致納米粒子發射光的巨大、不成比例的增加。

新納米粒子的非線性比原始雪崩納米粒子高出三倍，這是迄今為止在材料中觀察到的最高非線性。進一步實驗表明，這些納米粒子不僅在高於給定激光功率閾值的激發下表現出“光子雪崩”特性，在激光功率降至該閾值以下時，它們仍會繼續發出明亮的光，只有在非常低的激光功率下才會完全關閉。這意味着，納米粒子可在亮或暗的狀態之間切換。

這種“開”和“關”閾值功率之間的巨大差異，使得粒子可以用作納米級光學存儲器。未來，團隊計劃探索這些光學雙穩態納米材料的新應用，並尋找具有更高環境穩定性和更強光學雙穩態的新配方。

【總編輯圈點】

本文的成果解決了長期以來困擾科學家的關鍵問題：如何在納米尺度上實現高效的光學雙穩態。這一目標的實現，其實是開發更小、更快的光學計算機組件的基礎。它在“開”與“關”之間的特性，看起來雖十分艱澀，但只要理解為它具備了構建納米級光學存儲器的條件，亦能體會其中意義。未來在同等大小的設備中，可以容納更多的數據、擁有更長的壽命、實現更快的讀寫速度，同時耗費更少的能源。可以説，這項成果不僅推動了納米光學領域的發展，也為下一代高性能計算機提供了新的可能性。