中国科研人员在发丝般纤细的硅器件中实现光的“三稳态”

根据近期发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊上的一篇研究论文，一组研究人员成功在一座直径仅为 20 微米（比人类头发丝还要细）的硅光子晶体微腔中，诱导一束光呈现出三个稳定状态。

使光束能够保持超越二进制“开”与“关”的额外状态，是推动光计算走向实用化现实的关键里程碑。

来自北京的北京大学与中国东北的哈尔滨工程大学的研究人员实现了多稳态，其开关功耗仅需 240 微瓦（$\mu\text{W}$），低于常见激光笔的功耗。值得注意的是，他们基于该机制成功构建了一台多值光存储器件原型。

三稳态是多稳态的一种特定形式。后者指的是系统在相同的系统参数和外部条件下，保持多个稳定状态的能力，并能通过外部刺激或扰动在这些状态之间灵活切换。

在光的语境下，多稳态意味着单个存储单元能够容纳更多信息。这对光计算和光数据存储都具有重要意义。

然而，在微纳尺度的芯片上，光的非线性效应极其微弱，使得设计能够将光稳定保持在多个状态下的器件变得异常艰难。

为了解决这一挑战，研究人员利用了一项被称为“近例外点耦合”的物理机制。

他们在光子晶体微腔中设计了两个谐振模式。当系统被驱动向被称为“例外点”（非厄米物理学中的物理奇点）的特殊状态时，这两个模式发生高度耦合，其波长趋于接近，线宽趋于收敛。

这种状态使微腔能够紧密约束光线，同时与外部环境高效交换功率，从而为实现光多稳态扫清了道路。

在实验中，研究人员制备的微腔实现了高达 100 万的品质因数（即 Q 值），使光在微腔内部缓慢衰减前能够进行反复振荡。在仅 240 微瓦（$\mu\text{W}$）的极低输入功率下，系统展示出了清晰的三稳态特性。

通过精细调节输入光功率或波长，系统可以在这三种状态之间快速且可靠地切换。

该研究表明，通过巧妙的物理设计，即使在极为微小的硅芯片上，光的非线性效应也可以被调控并诱导呈现出丰富多样的多稳态。

这为未来开发能够处理更复杂信息的光神经网络和类脑计算处理器提供了全新的基础元器件。

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原文：Chinese scientists achieve three-state light in hair-thin silicon device