“光子雪崩”纳米粒子带来新计算材料

科技日报北京2月27日电 （记者张梦然）美国劳伦斯·伯克利实验室、哥伦比亚大学和西班牙马德里自治大学联合团队在《自然·光子学》杂志上发表了一项突破性成果。他们利用“光子雪崩”纳米粒子开发出一种新型光学计算材料。这一发现为制造纳米级光学存储器和晶体管铺平了道路，同时也为实现下一代计算机更小、更快的组件提供了一条新途径。

光学双稳态允许材料通过光在两种不同状态（如明亮发光或完全不发光）之间切换。这对于构建光学计算机至关重要，但光学双稳态几乎只在块状材料中观察到，这些材料体积大且难以批量生产。

“光子雪崩”纳米粒子克服了这些挑战，在纳米尺度上实现了固有光学双稳态。团队使用掺杂钕的钾铅卤化物，制造了30纳米的纳米粒子。当这些纳米粒子被红外激光激发时，会表现出“光子雪崩”现象，即激光功率的轻微增加都会导致纳米粒子发射光的巨大、不成比例的增加。

新纳米粒子的非线性比原始雪崩纳米粒子高出三倍，这是迄今为止在材料中观察到的最高非线性。进一步实验表明，这些纳米粒子不仅在高于给定激光功率阈值的激发下表现出“光子雪崩”特性，在激光功率降至该阈值以下时，它们仍会继续发出明亮的光，只有在非常低的激光功率下才会完全关闭。这意味着，纳米粒子可在亮或暗的状态之间切换。

这种“开”和“关”阈值功率之间的巨大差异，使得粒子可以用作纳米级光学存储器。未来，团队计划探索这些光学双稳态纳米材料的新应用，并寻找具有更高环境稳定性和更强光学双稳态的新配方。

【总编辑圈点】

本文的成果解决了长期以来困扰科学家的关键问题：如何在纳米尺度上实现高效的光学双稳态。这一目标的实现，其实是开发更小、更快的光学计算机组件的基础。它在“开”与“关”之间的特性，看起来虽十分艰涩，但只要理解为它具备了构建纳米级光学存储器的条件，亦能体会其中意义。未来在同等大小的设备中，可以容纳更多的数据、拥有更长的寿命、实现更快的读写速度，同时耗费更少的能源。可以说，这项成果不仅推动了纳米光学领域的发展，也为下一代高性能计算机提供了新的可能性。