双稳态纳米晶体的发现有望实现更快、更节能的光学计算

包括俄勒冈州立大学化学研究员在内的科学家们已经朝着更快、更节能的人工智能和一般数据处理迈出了关键一步，他们发现了发光纳米晶体，可以快速地从亮到暗再从暗切换回来

俄勒冈州立大学科学院助理教授Artiom Skripka说：“这些纳米晶体非凡的开关和存储能力有朝一日可能会成为光学计算不可或缺的一部分，这是一种使用光粒子快速处理和存储信息的方法，光粒子的传播速度比宇宙中的任何东西都快。”

Skripka和劳伦斯伯克利国家实验室、哥伦比亚大学和马德里自治大学的合作者在《自然光子学》上发表的这项研究涉及一种称为雪崩纳米粒子的材料

纳米材料是测量在十亿分之一米到千亿分之一米之间的微小物质，雪崩纳米粒子的发光特性具有极端的非线性——它们发出的光的强度可以随着激发它们的激光强度的小幅增加而大幅增加

研究人员研究了由钾、氯和铅组成并掺杂钕的纳米晶体。KPb2Cl5纳米晶体本身不与光相互作用；然而，作为宿主，它们使钕客体离子能够更有效地处理光信号，使其可用于光电子、激光技术和其他光学应用

Skripka说：“通常，发光材料在被激光激发时会发光，而在不被激发时会保持黑暗。”。“相比之下，我们惊讶地发现我们的纳米晶体具有平行生命。在某些条件下，它们表现出一种特殊的行为：在完全相同的激光激发波长和功率下，它们可以是亮的或暗的。”

这种行为被称为内在光学双稳性。纳米晶体的内在光学双稳性是光子集成电路的一个进步，它可能能够超越当前的电子和光电子系统，并具有更高的效率

Skripka说：“如果晶体一开始就很暗，我们需要更高的激光功率来打开它们并观察发射，但一旦它们发射，我们就可以在比最初打开它们所需的更低的激光功率下观察它们的发射。”。他补充道：“这就像骑自行车一样，要想让它动起来，你必须用力踩踏板，但一旦它开始运动，你就不需要那么费力。它们的发光可以非常突然地打开和关闭，就像按下按钮一样。”

纳米晶的低功耗开关能力与全球减少人工智能、数据中心和电子设备日益增长的能耗的努力相一致。人工智能应用不仅需要强大的计算能力，而且经常受到现有硬件的限制，这项新研究也可以解决这种情况

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Skripka说：“将光子材料与内在光学双稳性相结合可能意味着更快、更高效的数据处理器，增强机器学习算法和数据分析。”。“这也可能意味着在电信、医学成像和环境传感等领域使用更高效的基于光的设备。”

此外，他说，这项研究补充了现有开发基于纳米级光和物质行为的强大通用光学计算机的努力，并强调了基础研究在推动创新和经济增长方面的重要性

Skripka说：“我们的发现是一个令人兴奋的发展，但在我们的发现在实际应用中找到归宿之前，还需要更多的研究来解决可扩展性和与现有技术集成等挑战。” More information: Intrinsic optical bistability of photon avalanching nanocrystals, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-024-01577-x. www.nature.com/articles/s41566-024-01577-x

Journal information: Nature Photonics