首个由光子电路元件组成的“超电子”电路问世

科技日报讯据美国物理学家组织网近日报道，科学家一直希望能用更小且更复杂的电路来精准地控制电荷的流动，现在，美国科学家们用光子取代电子，制造出首个由光子电路元件组成的“超电子”电路，朝上述目标迈进了一步。相关研究发表在最新一期《自然·材料学》杂志上。

不同配置和组合方式的电子电路具有不同的功能，从简单的光开关到复杂的超级计算机。电路由不同的电路元件，包括能非常精确操纵电路中电子流动的电阻器、感应器和电容器等组成。电子电路和光子也都遵循描述电磁场行为的基本公式——麦克斯韦方程组。

宾夕法尼亚大学电子和系统工程学院的纳德·恩西塔表示：“如果我们使用电磁光谱内波长更短的波，比如光，我们或许能使电路更小、更快、更高效。”现在，他和学生制造出首个由光子电路元件组成的“超电子”物理演示电路，使这一梦想成为了现实。

“超电子”中的“超”指的是超材料——嵌入材料中的纳米图案和结构，使其能采用以前无法做到的方法操控波。他们在最新实验中利用亚硝酸硅制造出梳状的长方形纳米棒阵列。这种新型纳米棒的横截面和其间的孔隙形成的图案能复制电阻器、感应器和电容器这三个最基本电路元件的功能，只不过其操纵的是光波。恩西塔指出：“如果我们拥有光子版本的电路元件，我们就能制造出操纵光的电路。”

在实验中，他们用一个光子信号（其波长位于中红外线范围内）照射该纳米棒，并在波通过时用光谱设备进行测量。他们使用不同宽度和高度组合的纳米棒重复该实验后证明，不同大小的光电阻器、感应器和电容器都可以改变光“电流”和光“电压”。恩西塔表示：“纳米棒的一部分既扮演感应器，又扮演电阻器，而空气间隙则扮演电容器。”

除了可通过改变制造纳米棒的维度和材料改变光子电路的功能外，改变光的方向也可改变上述“超电子”电路，而传统电子学则无法做到这一点。这是因为光有偏振，即在波中振动的电场，其在空间拥有确定的方位。在“超电子”电路中，电场与光子电路元件相互作用且被其改变，因此，改变电场的方位可以改变电路。

恩西塔团队正在为这类复杂的“超电子”学建立理论基础。他表示：“电子学的另一个成功因素同其模块化有关，我们能通过安排不同的电路元件制造出无数个电路，因此，我们也希望设计出更复杂的光学元件，以获得具有不同功能的光子电路。”（刘霞）