據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)近日報道，科學家一直希望能用更小且更復雜的電路來精準地控制電荷的流動，現(xiàn)在，美國科學家們用光子取代電子，制造出首個由光子電路元件組成的“超電子”電路，朝上述目標邁進了一步。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《自然·材料學》雜志上。
不同配置和組合方式的電子電路具有不同的功能，從簡單的光開關(guān)到復雜的超級計算機。電路由不同的電路元件，包括能非常精確操縱電路中電子流動的電阻器、感應(yīng)器和電容器等組成。電子電路和光子也都遵循描述電磁場行為的基本公式——麥克斯韋方程組。
賓夕法尼亞大學電子和系統(tǒng)工程學院的納德·恩西塔表示：“如果我們使用電磁光譜內(nèi)波長更短的波，比如光，我們或許能使電路更小、更快、更高效。”現(xiàn)在，他和學生制造出首個由光子電路元件組成的“超電子”物理演示電路，使這一夢想成為了現(xiàn)實。
“超電子”中的“超”指的是超材料——嵌入材料中的納米圖案和結(jié)構(gòu)，使其能采用以前無法做到的方法操控波。他們在最新實驗中利用亞硝酸硅制造出梳狀的長方形納米棒陣列。這種新型納米棒的橫截面和其間的孔隙形成的圖案能復制電阻器、感應(yīng)器和電容器這三個最基本電路元件的功能，只不過其操縱的是光波。恩西塔指出：“如果我們擁有光子版本的電路元件，我們就能制造出操縱光的電路?！?/p>
在實驗中，他們用一個光子信號（其波長位于中紅外線范圍內(nèi)）照射該納米棒，并在波通過時用光譜設(shè)備進行測量。他們使用不同寬度和高度組合的納米棒重復該實驗后證明，不同大小的光電阻器、感應(yīng)器和電容器都可以改變光“電流”和光“電壓”。恩西塔表示：“納米棒的一部分既扮演感應(yīng)器，又扮演電阻器，而空氣間隙則扮演電容器?！?/p>
除了可通過改變制造納米棒的維度和材料改變光子電路的功能外，改變光的方向也可改變上述“超電子”電路，而傳統(tǒng)電子學則無法做到這一點。這是因為光有偏振，即在波中振動的電場，其在空間擁有確定的方位。在“超電子”電路中，電場與光子電路元件相互作用且被其改變，因此，改變電場的方位可以改變電路。
恩西塔團隊正在為這類復雜的“超電子”學建立理論基礎(chǔ)。他表示：“電子學的另一個成功因素同其模塊化有關(guān)，我們能通過安排不同的電路元件制造出無數(shù)個電路，因此，我們也希望設(shè)計出更復雜的光學元件，以獲得具有不同功能的光子電路?！?/p>
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