摘要：研究人员从光子雪崩纳米颗粒开发了一种新的光学计算材料。...

由劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab），哥伦比亚大学和马德里大学共同领导的研究小组，由Photoon Avalanching纳米颗粒开发了一种新的光学计算材料。

突破 - 团队最近在《杂志》上发表了这一突破自然光子学 - 为在纳米尺寸比例尺上制造光学记忆和晶体管的方式铺平了道路，可与当前的微电子相媲美。这种方法通过利用一种称为“固有的光学双重性”的光学现象来实现下一代计算机的较小，更快的组件的途径。

伯克利实验室的分子铸造厂，研究作者埃默里·陈（Emory Chan）说：“这是纳米级材料中固有光学双重性的第一个实用证明。” “我们可以可重复地制造这些材料并理解它们的不直觉的事实对于使光学计算机的规模变为现实至关重要。”

这项工作是伯克利实验室（Berkeley Lab）采用新材料和技术的更小，更快，更节能的微电子技术的更广泛推动的一部分。

几十年来，研究人员一直在寻求方法来制造使用光而不是电力的计算机。具有固有光学双重性（IOB）的材料（允许材料在两个不同状态（例如明亮或根本没有发光）之间切换的属性 - 可以用作光学计算机的组件。但是在先前的研究中，几乎完全在散装材料中观察到了光学双重性，这些材料对于微芯片而言太大且充满挑战的质量生产。在纳米级IOB的一些早期报道中，该过程尚不清楚，并被认为是通过加热纳米颗粒而发生的，纳米颗粒效率低下且难以控制。

但是现在，Chan和该团队的最新研究表明，新的光子雪崩纳米颗粒可以克服在纳米级实现IOB方面的挑战。

在伯克利实验室的纳米级科学用户设施的分子铸造实验中，研究人员从钾长钾长 - 甲基钾材料掺杂了新近二硫代（Neododymium）的30纳米纳米颗粒，这是一种在激光器中常用的稀有元素。

当纳米颗粒被红外激光的光激发时，它们表现出一种称为“光子雪崩”的现象，其中激光功率的少量增加导致纳米颗粒发出的光的巨大，不成比例的增加。该小组首先在其开创性的2021纸中发现了光子雪崩纳米颗粒的“极端非线性”，这表明激光功率使发光的强度增加了10,000倍。

在他们的最新作品中，团队发现，他们的新纳米颗粒的非线性超过三倍，是那些原始的雪崩纳米颗粒的三倍，“任何人在材料中观察到的最高非线性是最高的，”陈说。

令人惊讶的是，当前研究中的进一步实验表明，这些纳米颗粒不仅在给定激光功率阈值上方激发时表现出光子雪崩的特性，而且即使在极低的激光幂下完全关闭激光功率时，它们也会继续发出明亮的发光。换句话说，这些微小的雪崩纳米颗粒被证明是长期以来一直躲避纳米科学家的IOB。

Chan解释说，这些“上”和“关闭”阈值能力之间的巨大差异意味着有中间激光的力量，纳米颗粒可以是明亮的或黑暗的，只有它们的历史。这种在不更改材料的情况下切换光学性能的能力表明，纳米颗粒可以用作纳米级光学记忆，尤其是挥发性随机访问记忆（RAM）。

然后，研究人员在这些材料中寻求突破性的双重性的起源，然后使用计算机模型首次揭示了IOB在纳米颗粒中的IOB不是来自纳米颗粒的加热，而是来自光子Avalanching的极端非线性，并且是源于粒子中的独特结构。

在未来的研究中，研究人员希望研究针对光学双重纳米材料的新应用，并为具有更大的环境稳定性和光学双重性的纳米粒子找到新的制剂。

分子铸造厂是伯克利实验室的纳米级科学用户设施。

这项工作得到了能源部科学办公室的支持。国防高级研究项目局（DARPA）和国家科学基金会提供了额外的资金。