科学家研制出一种微型芯片，能够在单一器件中实现光基信息的产生、引导和读取，标志着向超快、节能计算迈出了重大飞跃。该突破利用原子级薄材料和纳米结构，控制了光的一种被称为“谷”自由度的独特量子特性，从而实现了以全新方式对信息进行编码。
这一进展标志着“能谷电子学”这一新兴研究领域的一个重要里程碑，该领域可能有助于推动未来在更快速计算、更低能耗以及量子技术方面的突破。
这款新设备由莫纳什大学物理与天文学院的研究人员开发，结合了先进的纳米技术与前沿材料，解决了限制该领域发展多年的一个难题。
该团队首次构建了一种全集成芯片，能够在同一个紧凑系统中产生专用光信号，沿特定路径引导这些信号，并将其转换为电信号。
这些信号利用一种被称为“能谷自由度”的量子特性来存储信息。科学家认为，这一独特特性可以为编码、传输和处理数据提供全新的方式。
集成能谷电子学芯片解决了长期存在的挑战
该研究的第一作者李驰（Chi Li）博士表示，其团队的发现发表在《自然·光子学》上，这一成就解决了能谷电子学研究中的一个主要障碍。
“在此之前，我们可以产生或检测这些信号，但无法在一个集成设备中完成所有操作，”李博士说。
“我们构建的是一个完整的片上系统，能够以极高的精度创建、路由和读取这些信息。”
该设备依赖于仅有几个原子厚度的超薄材料。这些材料与专门设计的纳米结构配对，旨在极小的尺度上精确控制光。
该研究的共同第一作者、莫纳什大学研究员邢开健（Kaijian Xing）博士解释说，团队开发了一种实用的方法来组合这些组件。
“我们采用一种直接了当的堆叠方法将超薄材料与超构表面集成，克服了在光子结构上直接生长材料的技术挑战，并推动了能谷电子学的进一步发展，”邢博士说。
室温光子技术
该技术最重要的优势之一是它可以在室温下运行。许多量子系统需要极冷的环境，这使得它们在实际应用中更加困难且昂贵。
资深作者、澳大利亚研究理事会未来研究员及莫纳什NanoMeta小组负责人任浩然（Haoran Ren）博士表示，这项工作可以为新一代既可编程又高效的紧凑型光子器件铺平道路。
据任博士介绍，该技术可以支持更快的计算系统，降低能耗，并为安全通信和先进数据处理提供新方法。
“这是向可扩展、利用光而非电来处理信息的芯片级技术迈出的重要一步，”任博士说。
“光子器件利用光来实现巨大的带宽、超快的数据传输速度和更低的能耗，因此我们的成果在量子计算、先进成像和下一代光通信系统方面具有巨大的应用潜力。”
处理多路信息流
为了展示该芯片的能力，研究人员成功同时编码并处理了两幅独立的图像。实验表明，该设备可以同时处理多路信息流，这是未来计算技术的一个重要特征。
莫纳什大学物理与天文学院及纳米光子学实验室主任Stefan A. Maier教授表示，这一进展有助于弥合基础科学发现与实用技术之间的鸿沟。
“这是迈向全集成能谷电子学系统的重要一步，”Maier教授说，“通过在芯片上结合光和量子材料，我们可以获得编码和处理信息的新途径。”
该项目汇聚了来自澳大利亚、中国、新加坡、德国和日本的研究人员，结合了纳米光子学、二维材料和光电子学领域的专业知识。
莫纳什大学团队成员包括李驰博士、邢开健博士、Michael S. Fuhrer教授、Stefan A. Maier教授和任浩然博士。新加坡科技设计大学、慕尼黑大学和悉尼科技大学也做出了额外贡献。