扭曲的光：揭示超快数据传输的螺旋路径

一种新的全光开关使用圆偏振光和一种创新的半导体，可以在光纤系统中更快、更有效地处理数据。

这项技术促进了显著的能源节约，并引入了一种控制材料量子特性的方法，有望在光学计算和基础科学方面取得重大进展。

现代高速互联网依靠光通过光纤电缆快速可靠地传输大量数据。然而，当需要处理数据时，光信号面临瓶颈。它们必须首先转换成电信号进行处理，然后才能继续传输。

全光开关提供了一个解决方案。它使用光来控制其他光信号，而不需要电转换，这在光纤通信系统中节省了时间和能量。

“我们的研究结果为许多新的可能性打开了大门。”

Hui Deng

光开关技术的突破

由密歇根大学领导的一个研究小组展示了一种超快全光开关，它使用脉冲圆偏振光，这种光像螺旋一样扭曲，通过内衬超薄半导体的光学腔。他们的研究最近发表在《自然通讯》上。

该设备可以作为标准光学开关运行，打开或关闭控制激光器可以切换相同偏振的信号光束。它还可以作为一个称为异或（XOR）开关的逻辑门，当一个光输入顺时针扭转而另一个逆时针扭转时，它会产生输出信号，但当两个光输入都沿同一方向扭转时，则不会产生输出信号。

“因为开关是任何信息处理单元最基本的构建块，所以全光开关是迈向全光计算或构建光神经网络的第一步，”密歇根大学物理学博士生、该研究的主要作者周凌晓（音译）说。

“极低的功耗是光学计算成功的关键。我们团队所做的工作正好解决了这个问题。”

斯蒂芬·福勒斯特

光计算的低损耗使其比电子计算更受欢迎。

光学计算的进展

“极低的功耗是光学计算成功的关键。我们团队所做的工作正是解决了这个问题，使用不寻常的二维材料以非常低的每比特能量来切换数据，”密歇根大学彼得·a·弗兰肯杰出大学电气工程教授、该研究的主要作者斯蒂芬·福雷斯特说。

为了实现这一目标，研究人员以规则的间隔将螺旋激光脉冲通过光学腔 —— 一组多次捕获和反射光的镜子 —— 将激光的强度提高了两个数量级。

当一个分子厚的半导体二硒化钨（WSe2）层嵌入光学腔内时，强烈的振荡光会扩大半导体中可用电子的电子带，这是一种被称为光学斯塔克效应的非线性光学效应。这意味着，当一个电子跳到更高的轨道时，它会吸收更多的能量，而当它跳下时，会释放更多的能量。这反过来又改变了信号光的通量，即每单位面积传递或反射的能量。

对量子物理和技术的影响

除了调制信号光外，光学斯塔克效应还产生了一个伪磁场，它对电子带的影响与磁场相似。它的有效强度为210特斯拉，远远超过地球上最强的磁铁（100特斯拉）。只有那些自旋与光的螺旋度一致的电子才能感受到这种巨大的力，这种力暂时分裂了不同自旋方向的电子带，并将排列好的电子带中的电子引导到相同的方向。

该团队可以通过改变光扭曲的方向来改变不同自旋的电子带的顺序。

电子在不同能带上短暂的均匀自旋方向也打破了所谓的时间反转对称性。从本质上讲，时间反转对称性意味着一个过程背后的物理原理是一样的，这意味着能量守恒。

虽然由于能量通过摩擦等力消散的方式，我们通常无法在宏观世界中观察到这一点，但如果你可以拍摄电子旋转的视频，无论你向前还是向后播放，它都会遵守物理定律 —— 单向旋转的电子将变成以相同的能量反向旋转的电子。但在伪磁场中，时间反转对称性被打破，因为如果倒带，反向旋转的电子具有不同的能量 —— 并且不同旋转的能量可以通过激光控制。

密歇根大学物理学教授、该研究的通讯作者邓辉（音译）说：“我们的结果为许多新的可能性打开了大门，无论是在基础科学中，控制时间反转对称性是创造奇异物质状态的必要条件，还是在技术中，利用如此巨大的磁场成为可能。”

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