超快全光開關：邁向全光計算的重要一步

      在光纖通信和光學計算領域，全光開關技術的發展一直備受關注。密歇根大學領導的團隊最近展示了一種超快全光開關，這項技術不僅能夠作為標準光開關使用，還能作為異或（XOR）邏輯門，標志著向全光計算和光學神經網絡邁進的重要一步。

    研究突破

    該團隊通過在光腔中嵌入超薄半導體二硒化鎢（WSe?）層，成功實現了圓偏振光的脈沖發射。這種設備能夠使用光來控制光信號，無需電轉換，從而節省了時間和能源。

    技術原理

    研究員LingxiaoZhou解釋說：“開關是任何信息處理單元的最基本組成部分，因此全光開關是邁向全光計算或構建光學神經網絡的第一步?！痹撛O備利用光學斯塔克效應（OSE），這是一種弗洛凱工程的形式，通過強光放大WSe?材料中可用電子的電子帶來實現非線性效應。

    實驗設計

    研究人員設計了光學腔，將有效弗洛凱場增強了幾個數量級，即使在極低的光子通量下也能產生弗洛凱效應。在更高的通量下，弗洛凱的腔增強效應導致WSe?激子的自旋和谷分裂達到50毫電子伏特（50meV），這對應于巨大的時間反轉破壞、非麥克斯韋磁場。

    偽磁場效應

    研究人員產生了一個有效強度為210特斯拉（T）的偽磁場，是地球最強磁體強度的兩倍多。這種偽磁場使得只有自旋與激光螺旋性對齊的電子才能感受到其巨大力量，導致不同自旋方向的電子帶暫時分裂。

    全光手性異或門

    利用這種光控有效磁場，研究人員開發了一種超快、皮焦耳、全光手性異或門。這種開關在非對稱腔中有效弗洛凱場強度提高了近兩個數量級，實現了可測量的弗洛凱效應，并且具有超快相干手性XOR開關的開/關切換比為15分貝（dB）。

    未來展望

    斯蒂芬·福雷斯特教授指出：“極低功耗是光學計算成功的關鍵，我們團隊所做的工作正好解決了這個問題，使用不尋常的二維材料以每位非常低的能量切換數據?！鼻辉鰪姼ヂ鍎P工程（OSE）可以為一系列材料和應用創建穩態或準平衡弗洛凱帶，廣泛應用于不同光譜帶的光學活性材料，實現新量子相的連續波弗洛凱工程，并促進超低能量、超快、全光開關和傳感器的發展。

    這項發表在《自然通訊》上的研究成果，不僅在基礎科學領域打開了新的可能性，特別是在控制時間反轉對稱性方面，而且在技術領域，利用如此巨大的磁場成為可能，為未來的光學計算和通信技術提供了新的方向。