聲波導(dǎo)將聲子引導(dǎo)進(jìn)光機(jī)械腔內(nèi)，使得該團(tuán)隊(duì)能夠直接操縱懸浮納米梁的運(yùn)動(dòng)。
任職于國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種將信號(hào)在光波，聲波和無線電波之間轉(zhuǎn)換的“壓電光機(jī)回路”。基于此設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以在下一代計(jì)算機(jī)中移動(dòng)和存儲(chǔ)信息。
該團(tuán)隊(duì)的工作被發(fā)表在《Nature Photonics》雜志上，同時(shí)也在2016年3月在馬里蘭州巴爾的摩市舉行的美國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上進(jìn)行了報(bào)告。
摩爾定律——一個(gè)認(rèn)為集成電路的晶體管數(shù)量將每兩年翻一番的理論——已經(jīng)被證明是非常符合實(shí)際情況的，因此工程師們將很快會(huì)開始遭遇根本上的極限。隨著晶體管的減小，熱以及其他因素將開始在電路中產(chǎn)生放大的效應(yīng)。因此，研究人員正在越來越多地考慮那些在其中電子元件與其他攜帶信息的物理系統(tǒng)例如光和聲音進(jìn)行連接的設(shè)計(jì)。如果研究人員可以開發(fā)出將信號(hào)從一種類型轉(zhuǎn)換到另一種類型(轉(zhuǎn)導(dǎo))的有效的方式，連接這些不同類型的物理系統(tǒng)將可以繞過一些發(fā)生在那些只依賴于一種類型的信息載體的組件上的問題。
例如，光能夠攜帶大量的信息，并且通常不會(huì)與它的環(huán)境非常強(qiáng)烈地相互作用，所以它不像電流一樣加熱元件。然而，雖然光很有用，但它不適合所有的情況。光線很難被長時(shí)間儲(chǔ)存，它也不能直接與回路中的一些組件進(jìn)行交互。另一方面，聲學(xué)器件已經(jīng)被用在了無線通信技術(shù)中，在那里聲音更容易在緊湊的結(jié)構(gòu)中長時(shí)間存儲(chǔ)，因?yàn)樗苿?dòng)的速度要慢得多。
為了滿足這些需求，NIST的研究人員和他們的合作者在一個(gè)芯片上制造了一個(gè)壓電光機(jī)回路。這個(gè)回路的核心是一個(gè)光學(xué)機(jī)械腔體，在他們的方案中這是由一個(gè)懸浮的納米梁構(gòu)成。在梁內(nèi)有一系列的小孔，其對(duì)光線(光子)來說就像一個(gè)裝滿反射鏡的大廳。具有非常特殊的顏色或頻率的光子在泄露出去之前會(huì)在這些鏡子之間來回反射幾千次。與此同時(shí)，該納米梁限制頻率為每秒幾十億周期(GHz)的聲子，即機(jī)械振動(dòng)。這些光子和聲子在腔內(nèi)交換能量，從而使梁的振動(dòng)影響腔內(nèi)光子的積累，而腔內(nèi)光子的積累會(huì)影響機(jī)械振動(dòng)的大小。這種相互作用或耦合的強(qiáng)度是目前報(bào)道的光機(jī)系統(tǒng)中最大的一個(gè)。
研究者的主要?jiǎng)?chuàng)新之一來自于將這個(gè)腔與聲學(xué)波導(dǎo)連接起來，聲學(xué)波導(dǎo)是將聲波引導(dǎo)到特定位置的器件。通過聲學(xué)波導(dǎo)將聲子引導(dǎo)進(jìn)光機(jī)器件內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)能夠直接操縱懸浮納米梁的運(yùn)動(dòng)。由于能量交換，聲子可以改變被困在器件中的光的特性。為了產(chǎn)生這些GHz頻率(遠(yuǎn)高于可聽見的聲音的頻率，即使是你的狗也聽不到它們)的聲波，他們使用了壓電材料——在這種材料中，當(dāng)一個(gè)電壓被施加在它上面時(shí)它會(huì)隨之變形，反之亦然。通過使用一種增強(qiáng)這種壓電效應(yīng)的被稱為“叉指換能器(IDT)”的結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)能夠建立起無線電頻率的電磁波與聲波之間的聯(lián)系。這種強(qiáng)大的光機(jī)聯(lián)系使他們能夠?qū)@個(gè)被限制住的相干聲波能量在一個(gè)聲子的一部分的水平上進(jìn)行光檢測(cè)。
通過將電學(xué)產(chǎn)生和光學(xué)產(chǎn)生的聲子相互競(jìng)爭(zhēng)，他們?cè)诼暡ㄖ羞€觀察到了可控的干涉效應(yīng)。根據(jù)這篇論文的作者之一Kartik Srinivasan所說，該器件也許會(huì)使對(duì)這些相互作用的詳細(xì)研究和開發(fā)可以被光子修改的聲子回路成為可能。
“為了以最佳的方式執(zhí)行不同的任務(wù)，未來的信息處理系統(tǒng)可能需要包含其他的信息載體，例如光子和聲子，”NIST納米科學(xué)與技術(shù)中心的物理學(xué)家Srinivasan說。“這項(xiàng)工作提出了一個(gè)在這些不同的載體之間轉(zhuǎn)導(dǎo)信息的平臺(tái)。
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