撰稿 | 張?zhí)煊睿娮涌萍即髮W(xué) 博士生）

長期以來，在科學(xué)技術(shù)研究中存在一個(gè)重要的需求：在滿足自然規(guī)律的前提下，實(shí)現(xiàn)工作時(shí)間尺度接近極限（盡可能?。┑碾娮訉W(xué)和信息處理方法。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，一個(gè)極具潛力的方法就是利用激光來引導(dǎo)材料內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)，并利用其中存在的物理效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電子學(xué)基本元件的構(gòu)建。這個(gè)概念也被稱為“光波電子學(xué)（lightwave electronics）”。

極其特別的是，雖然利用目前的超快激光技術(shù)已能夠產(chǎn)生時(shí)間尺度在飛秒（femtosecond, fs, 10-15 s）量級(jí)的電學(xué)信號(hào)，但是我們還無法在這樣的極短時(shí)間尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息處理。

在傳統(tǒng)的電子線路中，邏輯門是由晶體管組成的，其工作頻率大致在吉赫茲量級(jí)（gigahertz，GHz，10? Hz），而激光卻能夠產(chǎn)生時(shí)間尺度在飛秒量級(jí)的超快脈沖信號(hào)。這意味著如果能夠結(jié)合超快激光技術(shù)，傳統(tǒng)電子線路中晶體管的工作效率（或工作頻率）有可能提高一百萬倍以上。

近日，來自德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué) Peter Hommelhoff 教授研究小組和美國羅切斯特大學(xué) Ignacio Franco 副教授課題小組的研究人員在這個(gè)方向走出了決定性的一步：基于超快激光技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了一個(gè)工作在飛秒時(shí)間尺度的邏輯門，并且有望在未來使得計(jì)算機(jī)工作的速度提高 100 萬倍以上。

這個(gè)工作以“Light-field control of real and virtual charge carriers”為題近日發(fā)表在Nature。

圖1：一種新的邏輯門類型：能將由實(shí)和虛載流子產(chǎn)生的電流進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)至今為止最快的邏輯門。其中，兩種不同的載流子是由于兩個(gè)同步激光脈沖入射到與金電極連接的石墨烯微帶結(jié)構(gòu)的不同位置產(chǎn)生的。
（圖源：美國羅切斯特大學(xué)/Michael Osadciw）

聯(lián)合研究小組利用超短超強(qiáng)激光脈沖，通過對(duì)實(shí)和虛載流子（real and virtual charge carriers）的獨(dú)立控制，產(chǎn)生了一個(gè)時(shí)鐘頻率位于拍赫茲（petahertz，PHz，101? Hz）的邏輯門。這個(gè)基于“光波電子學(xué)”的研究結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)超快信息處理提供了新的方式。

此外，值得一提的是，憑借其在實(shí)驗(yàn)物理方面做出的巨大貢獻(xiàn)，Peter Hommelhoff 教授近日獲得了德國最重要的研究獎(jiǎng)項(xiàng)之一，萊布尼茲獎(jiǎng)（Gottfried Wilhelm Leibniz Prize）。

圖2：左）Peter Hommelhoff（德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)教授，激光物理系主任）；右）Ignacio Franco（羅切斯特大學(xué)物理系/化學(xué)系副教授）

一個(gè)實(shí)現(xiàn)更快邏輯門的途徑

2007年，當(dāng)時(shí)還在加拿大多倫多大學(xué)攻讀博士學(xué)位的 Ignacio Franco 從理論上提出了一個(gè)將激光脈沖轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)的想法（Physical Review Letters, 2007, 99(12): 126802）。這個(gè)想法的實(shí)現(xiàn)是基于一種將碳基材料形成的分子線連接在一對(duì)金屬電極之間的納米間隙結(jié)構(gòu)。他詳細(xì)的論述了：由于超快飛秒激光脈沖使得材料能級(jí)出現(xiàn)明顯變化，處于兩個(gè)電極之間的碳基分子線中產(chǎn)生微小電流信號(hào)的物理過程。

六年后，即 2013 年，來自德國馬克斯普朗克研究院量子光學(xué)研究所的 Ferenc Krausz 和同事們從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這種物理機(jī)制（Nature, 2013, 493(7430): 70-74）。在這個(gè)工作中，他們利用了稍微不同的材料類型：將玻璃線放在一對(duì)金屬電極之間。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中詳細(xì)的物理解釋在 2018 年被 Ignacio Franco 的研究小組所完成（Nature Communications, 2018, 9(1): 2070）。

然而，包括這些研究在內(nèi)，之后的所有研究都無法揭示在電流產(chǎn)生過程中實(shí)和虛載流子所發(fā)揮的作用。事實(shí)上，兩種載流子都是電子，但是前者在激光脈沖停止照射后仍可以作定向移動(dòng)，而后者將在激光停止照射后將停止定向移動(dòng)，而這也是兩者名稱有所區(qū)別的本質(zhì)原因。

其中，對(duì)于實(shí)載流子和虛載流子的準(zhǔn)確定義如下：

實(shí)載流子：在激光停止照射后，那些仍可以做定向運(yùn)動(dòng)的被光激發(fā)出的電子。

虛載流子：當(dāng)激光停止照射后，那些不再能夠做定向運(yùn)動(dòng)并且只在激光激發(fā)時(shí)存在的電子。

實(shí)和虛載流子的產(chǎn)生  

在本項(xiàng)研究中，Peter Hommelhoff（主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)）和 Ignacio Franco （主要負(fù)責(zé)數(shù)值計(jì)算）聯(lián)合研究小組在金屬電極之間放置了石墨烯微帶結(jié)構(gòu)。在研究中，他們的關(guān)鍵控制手段是載波包絡(luò)相位，其可以量化描述脈沖包絡(luò)峰值和其載波之間的相位偏置。為了產(chǎn)生實(shí)載流子，他們使用了電場(chǎng)峰值位置與包絡(luò)之間相位差為 ±π/2 的激光脈沖。這將會(huì)導(dǎo)致光矢量對(duì)應(yīng)電勢(shì)的正負(fù)幅值之間峰峰值（即正負(fù)幅值模值或絕對(duì)值的和）最大。這樣，從石墨烯導(dǎo)帶上激發(fā)出來的電子將會(huì)獲得最大的凈動(dòng)量。

與此相反，利用相位差為 0 或者 π，可以產(chǎn)生虛載流子。這種類型的脈沖將會(huì)導(dǎo)致材料中電子的空間分布呈現(xiàn)出最大可能的非對(duì)稱性。在脈沖入射的情況下，這些電子能夠在石墨烯和電極的交界處被捕獲，因此能夠?qū)鲗?dǎo)至電極處的電流作出貢獻(xiàn)。因此，通過上述手段，他們能夠根據(jù)需要來控制實(shí)或虛載流子的獨(dú)立產(chǎn)生和疊加，這一點(diǎn)對(duì)于后續(xù)實(shí)現(xiàn)超快邏輯門來說十分重要。通過改變石墨烯微帶長度和近紅外激光的脈沖特性，他們證明了這兩種完全不同的電流貢獻(xiàn)機(jī)制。

向激光驅(qū)動(dòng)的邏輯門邁進(jìn)

邏輯門是計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)中的基本組成要素，以“0”或者“1”的形式，控制著信息的處理。其運(yùn)行需要兩個(gè)輸入信號(hào)（都是“0”或者“1”的形式），運(yùn)算后產(chǎn)生一個(gè)邏輯輸出信號(hào)（“0”或者“1”）。在這里，他們的輸入信號(hào)則是兩束同步激光脈沖之間載波包絡(luò)相位的差值。根據(jù)這個(gè)差值的不同，兩路電流信號(hào)可以做邏輯運(yùn)算。

為了實(shí)現(xiàn)邏輯電路，研究人員利用兩束激光脈沖激發(fā)同一個(gè)石墨烯微帶結(jié)構(gòu)。這兩束激光脈沖可以分別產(chǎn)生實(shí)和虛載流子，并且可以做到讓它們相互疊加。此外，研究人員還可以控制兩個(gè)脈沖之間載波包絡(luò)相位的相對(duì)值。隨后，他們利用四個(gè)合適的相對(duì)相位值，建立了一個(gè)真值表，并且在達(dá)到一定閾值時(shí)，規(guī)定輸出電流為“1”。

特別的是，他們證實(shí)了如何建立或非門（NOR）的真值表，即通過選擇那些只在輸入為（0,0）情況下輸出為 1 的相位值。此外，也可以選擇其它的相位組合，來直接建立一系列其它的邏輯門，其中包括與門（AND）、或門（OR）和與非門（NAND）。

“最開始”的一步：從基礎(chǔ)到應(yīng)用

這項(xiàng)從基礎(chǔ)研究中產(chǎn)生的全新且具有潛在轉(zhuǎn)化性的技術(shù)，表明了在納米尺度的系統(tǒng)中電荷是如何被激光驅(qū)動(dòng)的。利用基礎(chǔ)研究中理論和實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系，本工作詳細(xì)分析了由激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的實(shí)載流子和虛載流子的作用，并且首次揭示了一種新的產(chǎn)生超快邏輯門的方式。

Peter Hommelhoff 教授認(rèn)為：利用超快激光脈沖來打破傳統(tǒng)電子學(xué)器件時(shí)鐘頻率上限的想法是可行的。但是，在其正式推廣到商業(yè)化用途之前，還有一系列復(fù)雜的問題需要解決。比如說，如何在邏輯門數(shù)量大幅增加的情況下仍然保持其高速的運(yùn)行速度，以及利用近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)在脈沖強(qiáng)度較低的情況下減小邏輯門的尺寸等。在驗(yàn)證這種全新機(jī)制邏輯門的基礎(chǔ)之上，之后的工作需要更多地將這些基礎(chǔ)應(yīng)用研究轉(zhuǎn)換成新的技術(shù)，并應(yīng)用到人們的具體生活中。

此外，Ignacio Franco 認(rèn)為：這項(xiàng)工作是一個(gè)很好的例子，說明基礎(chǔ)科學(xué)如何引領(lǐng)新技術(shù)的發(fā)展?；A(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)手段的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，為新的重大基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)和潛在的技術(shù)應(yīng)用提供了更多的可能。

| 論文信息 |

Boolakee, T., Heide, C., Garzón-Ramírez, A. et al. Light-field control of real and virtual charge carriers. Nature 605, 251–255 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04565-9

| 參考資料 | 

1.https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2022/may/laser-based_logic_gates_beckon/?src=hplead

2.https://www.rochester.edu/newscenter/laser-driven-logic-gates-petahertz-ultrafast-computers-522142/