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图为伯克利实验室分子铸造厂激光室。图片来源:美国劳伦斯·伯克利实验室
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。
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