首個硅基全光晶體管問世

2010年11月11日一個由德國和瑞士科學(xué)家組成的研究組在網(wǎng)絡(luò)出版的《科學(xué)快訊》(Science Express)上發(fā)表題為《Optomechanically Induced Transparency》(光-機(jī)械感生透明度)的論文.在這篇論文中，該小組宣布首次在硅片上制造出全光晶體管.

瑞士洛桑理工學(xué)院和德國普朗克量子光學(xué)研究院的科學(xué)家共同研制的這個裝置較之以往從工作機(jī)理上有較大的不同.在論文中他們指出，在此之前的全光晶體管大都是基于 “量子干涉效應(yīng)”利用電磁場控制作為中間體的原子或分子對光的反應(yīng)，這種方式雖然取得了不俗的進(jìn)展，但在集成化和實(shí)用化方面存在較多的困難；而他們研制出的這種器件是基于“輻射壓力”(光壓)控制中間體的透明度,該器件較之以往的明顯優(yōu)勢就是在集成化和實(shí)用化方面的困難要小得多.

基于硅片的電腦受電子器件固有性質(zhì)的限制，其集成化程度和運(yùn)算速度都已經(jīng)接近極限，而由基于光信號處理的全光晶體管構(gòu)成的“光腦”被人們寄予厚望，將之視為電腦的接班人，期望它在不久的將來成為人類處理信息的主要工具.人們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室制作出很多種全光晶體管，在實(shí)驗(yàn)演示中，這些全光晶體管都表現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)晶體管的運(yùn)算速度，但在集成化和實(shí)用化方面也都存在著巨大的困難，例如電磁感生透明度光晶體管所需的電磁器件在小型化和集成化方面就非常困難.

瑞士-德國小組構(gòu)造的裝置極其簡單，如封面主圖所示，它僅僅是一個二氧化硅的錐形體，上面有一個盤狀結(jié)構(gòu).在實(shí)驗(yàn)中一束“探針”(probe)激光照射在這個二氧化硅盤片上，調(diào)節(jié)激光的頻率使之與盤片的固有頻率發(fā)生共振，這時(shí)該圓片的行為表現(xiàn)為一個光腔，沒有光線從盤片射出，所有的光子都被這個光腔鎖住.

這時(shí)再引入一束頻率不同的控制激光來操控錐體上的盤片，控制激光使盤片的振動狀態(tài)發(fā)生改變，此時(shí)這個光腔不再完美，光子開始從光腔中射出.洛桑理工學(xué)院的Kippenberg說：“引入控制光束之后，探針光束可以從盤片通過，這就是光-機(jī)械感生透明度效應(yīng).”

實(shí)驗(yàn)中對探針光束出射強(qiáng)度也能很好地控制，控制方法也非常簡便，調(diào)節(jié)入射控制光束的強(qiáng)度即可.控制光束的入射強(qiáng)度越強(qiáng)探針光束的出射強(qiáng)度也越強(qiáng)，“但探針光束的出射強(qiáng)度不可能達(dá)到入射強(qiáng)度，因?yàn)榭刂乒馐娜肷鋸?qiáng)度不可能無限增大”， Kippenberg對此解釋說.Kippenberg小組選擇二氧化硅作為構(gòu)造錐形結(jié)構(gòu)的材料是因?yàn)槎趸璧耐该鞫确浅：?，光損很小.Kippenberg補(bǔ)充說：“近幾年來人們發(fā)現(xiàn)了多種不同材料可以實(shí)現(xiàn)光-機(jī)械感生透明度效應(yīng)，例如氮化硅和氟化鈣，……”

在論文中，該小組給出了一系列關(guān)于這個全光晶體管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括將電信號輸入轉(zhuǎn)換成電信號或光信號輸出.盡管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)理想，該小組依然稱這僅僅是一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，距離類似傳統(tǒng)晶體管在現(xiàn)實(shí)中構(gòu)造大規(guī)模集成電路還相當(dāng)?shù)剡b遠(yuǎn).

在論文中該小組還指出，該裝置還可能有一個非常重要的用途，就是可以用來研究量子現(xiàn)象.Kippenberg相信，光-機(jī)械感生透明度效應(yīng)可以控制晶體管的量子態(tài)，“這將是實(shí)現(xiàn)大尺度物體量子實(shí)驗(yàn)非常重要的一步.” Kippenberg小組的下一步目標(biāo)就是基于光-機(jī)械感生透明度效應(yīng)利用介觀物體實(shí)現(xiàn)量子實(shí)驗(yàn)，他們計(jì)劃通過光-機(jī)械作用將本實(shí)驗(yàn)中的光錐冷卻至量子基態(tài)并控制其在基態(tài)與其他量子態(tài)之間轉(zhuǎn)換，這是實(shí)現(xiàn)介觀物體量子實(shí)驗(yàn)的第一步.

參考文獻(xiàn)

1 Stefan Weis(eds.).Optomechanically Induced Transparency.Science DOI: 10.1126/science.1195596