一滴液晶，即可將聚合物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿膺壿嬈骷A(chǔ)

在柔軟的聚合物柱之間注入一滴液晶，便構(gòu)成了一種新型光子器件的核心。圖片來(lái)源：萬(wàn)德納?夏爾馬、亞卡?扎普洛特尼克等人

依靠光而非電工作的光子器件，有望比現(xiàn)有電子器件速度更快、能效更高。這類器件還為使用柔性材料（如聚合物、凝膠）開(kāi)辟了獨(dú)特路徑 —— 這些材料導(dǎo)電性能差，但更易制造、也更環(huán)保。然而，開(kāi)發(fā)這類柔軟、可彎曲的光子器件，需要實(shí)現(xiàn)用光直接控制光，而非依靠電信號(hào)調(diào)控。

在軟物質(zhì)領(lǐng)域，以往實(shí)現(xiàn)光控光主要依靠改變光學(xué)材料的物理特性，或使用強(qiáng)激光脈沖改變光束傳播方向。如今，一支國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種全新方法：僅需極低光強(qiáng)，且無(wú)需改變材料任何物理屬性，即可實(shí)現(xiàn)用光控制光。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、盧布爾雅那大學(xué)物理學(xué)教授伊戈?duì)?span style="font-family:'微軟雅黑',sans-serif">?穆舍維奇表示，他最初是在舊金山一場(chǎng)會(huì)議上，聆聽(tīng)斯特凡?W?赫爾關(guān)于受激輻射耗盡（STED）顯微術(shù)的報(bào)告時(shí)，萌生了該器件的設(shè)計(jì)靈感。赫爾憑借這項(xiàng)成像技術(shù)榮獲 2014 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，其原理是利用兩束激光產(chǎn)生極細(xì)光束掃描物體。穆舍維奇回憶道：“看到這項(xiàng)技術(shù)時(shí)我就想，這不就是用光操控光嗎？”

這一感悟最終催生出一款新型器件：向其發(fā)射一束激光脈沖后，光束能否從器件中輸出，完全取決于在不到 1 納秒內(nèi)是否發(fā)射第二束脈沖。

液晶光子開(kāi)關(guān)

該器件核心為一顆球形液晶微珠，依靠材料彈性與分子間作用力維持形態(tài)，內(nèi)部摻入熒光染料，并被四個(gè)直立錐形聚合物結(jié)構(gòu)夾持，負(fù)責(zé)引導(dǎo)光線進(jìn)出。當(dāng)激光脈沖通過(guò)其中一條聚合物波導(dǎo)入射時(shí)，光線會(huì)迅速傳入液晶，激發(fā)熒光染料。

在回音壁模式共振效應(yīng)下，液晶內(nèi)部的光子每次撞擊球形液面都會(huì)被反射回內(nèi)部，最終在諧振腔內(nèi)循環(huán)，直至被反射至某條波導(dǎo)，并以激光形式向外輸出。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：在液晶釋放第一束激光脈沖的光之前，向波導(dǎo)注入另一束不同波長(zhǎng)的激光脈沖，可使受激染料分子發(fā)生受激輻射。第二束脈沖需在第一束之后射入，與已被激發(fā)的染料分子相互作用，促使染料釋放與第二束脈沖完全相同的光子，同時(shí)耗盡第一束脈沖的能量。

這束被稱為STED 光束的第二束激光會(huì)在過(guò)程中被放大，而第一束脈沖的光則大幅衰減直至完全無(wú)法輸出。由于第一束激光的輸出結(jié)果可由第二束控制，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了用光控制光。

盧布爾雅那大學(xué)團(tuán)隊(duì)表示，這種液晶方案的能效遠(yuǎn)優(yōu)于以往的軟物質(zhì)光子技術(shù)—— 傳統(tǒng)方法通常需要強(qiáng)光場(chǎng)改變軟物質(zhì)的折射率等材料特性，而新方法將所需能量降低了百倍以上。由于 STED 激光脈沖會(huì)在晶體內(nèi)反復(fù)循環(huán)，單個(gè)光子即可耗盡多個(gè)染料分子所吸收的第一束脈沖能量。

同樣參與該項(xiàng)目的盧布爾雅那大學(xué)理論物理學(xué)家米哈?拉夫尼克解釋道，光控光是軟物質(zhì)光子邏輯門的核心：“你可以精準(zhǔn)控制光的產(chǎn)生時(shí)機(jī)與傳播方向，這就賦予了你用光執(zhí)行邏輯運(yùn)算的能力。”

超越硅基光子學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

穆舍維奇表示，除了在光子邏輯電路中的潛力，該方案相比硅或其他硬質(zhì)材料光子器件還具備多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。例如，軟物質(zhì)的使用大幅簡(jiǎn)化了制造流程：團(tuán)隊(duì)器件中的液晶可在一秒內(nèi)完成注入，而用硬質(zhì)材料制備類似結(jié)構(gòu)則難度極高。此外，軟物質(zhì)器件的加工溫度遠(yuǎn)低于硅基器件。

穆舍維奇還指出，軟物質(zhì)為器件幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了廣闊空間。使用液晶 “可以制作多種不同類型的諧振腔”，他說(shuō)：“可以說(shuō)，工程設(shè)計(jì)空間非常大。”

拉夫尼克對(duì)這一突破的前景倍感振奮，尤其看好其在光子計(jì)算乃至光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用潛力。但他也承認(rèn)，這些應(yīng)用仍十分遙遠(yuǎn)。“這項(xiàng)技術(shù)目前完全無(wú)法與現(xiàn)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案競(jìng)爭(zhēng)，” 他坦言。盡管如此，其潛力依舊令人向往：“理論能耗極低，運(yùn)算速度極高。”