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)研究中存在一個重要的需求：在滿足自然規(guī)律的前提下，實(shí)現(xiàn)工作時間尺度接近極限（盡可能?。┑碾娮訉W(xué)和信息處理方法。
為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，一個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，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)生時間尺度在飛秒（femtosecond, fs, 10-15 s）量級的電學(xué)信號，但是我們還無法在這樣的極短時間尺度內(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（gigahertz，GHz，10? Hz），而激光卻能夠產(chǎn)生時間尺度在飛秒量級的超快脈沖信號。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)了一個工作在飛秒時間尺度的邏輯門，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，通過對實(shí)和虛載流子（real and virtual charge carriers）的獨(dú)立控制，產(chǎn)生了一個時鐘頻率位于拍赫茲（petahertz，PHz，101? Hz）的邏輯門。這個基于“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項(xiàng)之一，萊布尼茲獎（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）

一個實(shí)現(xiàn)更快邏輯門的途徑
2007年，當(dāng)時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將激光脈沖轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號的想法（Physical Review Letters, 2007, 99(12): 126802）。這個想法的實(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出現(xiàn)明顯變化，處于兩個電極之間的碳基分子線中產(chǎn)生微小電流信號的物理過程。
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：將玻璃線放在一對金屬電極之間。這個實(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，而后者將在激光停止照射后將停止定向移動，而這也是兩者名稱有所區(qū)別的本質(zhì)原因。
其中，對于實(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)動并且只在激光激發(fā)時存在的電子。
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，他們使用了電場峰值位置與包絡(luò)之間相位差為 ±π/2 的激光脈沖。這將會導(dǎo)致光矢量對應(yīng)電勢的正負(fù)幅值之間峰峰值（即正負(fù)幅值模值或絕對值的和）最大。這樣，從石墨烯導(dǎo)帶上激發(fā)出來的電子將會獲得最大的凈動量。
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導(dǎo)致材料中電子的空間分布呈現(xiàn)出最大可能的非對稱性。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)行需要兩個輸入信號（都是“0”或者“1”的形式），運(yùn)算后產(chǎn)生一個邏輯輸出信號（“0”或者“1”）。在這里，他們的輸入信號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)這個差值的不同，兩路電流信號可以做邏輯運(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脈沖之間載波包絡(luò)相位的相對值。隨后，他們利用四個合適的相對相位值，建立了一個真值表，并且在達(dá)到一定閾值時，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/