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美國加州大學(xué)圣迭戈分校的物理學(xué)家證明,一種稱為激子(exci鄄tons)的粒子,因其在衰變時可發(fā)出閃光,有可能被應(yīng)用于一種新形態(tài)的運算,從而加快通信速度。該校物理教授萊昂尼德.布托夫及其同事,已制造出數(shù)個基于激子的晶體管,這些晶體管有望成為新型電腦的基本模塊,他們所裝配出的電路也成為世界上第一個使用激子的運算裝置。該成果發(fā)表在本周的《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上。 

晶體管是電子設(shè)備的基本模塊,目前均使用電子來傳遞計算所需的信號。但幾乎所有的通信設(shè)備都使用光或光子來傳送信號,信令語言需要從電子轉(zhuǎn)換成光子,因而限制了電子設(shè)備的運行速度。 

布托夫稱,新型晶體管使用激子來處理信號,如同電子一樣可由電壓來控制,但并不需要在電路的輸出端轉(zhuǎn)換成光子。由光在砷化鎵之類的半導(dǎo)體中制造出來的激子,可將帶負(fù)電的電子從一個帶正電的空穴中分離。如果這一對仍有連接,它就會形成激子。當(dāng)電子與空穴重新結(jié)合時,激子就會衰變,其能量將以一道閃光釋出。 

布托夫等人使用了一種特別類型的激子,電子與其空穴被限制在相距數(shù)個納米的不同量子阱。這樣的設(shè)置創(chuàng)造出了利用電極提供電壓來控制激子流動的機會。這些電壓“門”制造出的能量沖擊,能夠暫停激子的移動或允許它們的流動。一旦能量壁壘被移除,激子就能夠行進到晶體管的輸出端,并轉(zhuǎn)換成光,直接饋入通信電路,排除了轉(zhuǎn)換信號的需要。研究人員表示,這種激子到光子的直接耦合,橋接了運算與通信之間的缺口。 

科學(xué)家們通過將激子晶體管結(jié)合形成數(shù)種類型的開關(guān),從而創(chuàng)造出一種簡單的集成電路,它能精確地指揮信號沿著一個或數(shù)個路徑前進。因為激子的速度很快,所以這些開關(guān)能迅速翻轉(zhuǎn)。到目前為止已證明可實現(xiàn)200皮秒(1皮秒為1萬億分之一秒)量級的切換時間。雖然激子運算本身也許并沒有電子電路來得快,不過當(dāng)信號送往另一臺機器,或在一個芯片上以光學(xué)連接的不同部位間傳遞時,速度優(yōu)勢就會顯現(xiàn)出來。 

布托夫等人所研制的電路表明,激子可用來進行運算,但在實際應(yīng)用時將需要使用不同的材料。砷化鎵激子電路只能在低于40K(-233℃)的寒冷溫度下運行,這是因激子結(jié)合能而產(chǎn)生的限制。溫度高于此,電子將不會與它們的空穴結(jié)合而在結(jié)構(gòu)中形成激子。研究人員表示,通過選擇不同半導(dǎo)體材料可增加運行溫度。 

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