光子器件是一类利用光而非电流来处理和传输信息的硬件系统。与传统电子器件相比，这类系统有望在更低能耗下实现更高的运算速度，因此被视为下一代高性能计算和通信技术的重要方向。

工程师在构建光子系统时面临的核心难题之一，是如何获得足够强的光学非线性——也就是用极低功耗实现“用光控制光”的能力。为此，研究者提出利用激子极化子来增强光与光之间的有效相互作用。激子极化子是一种由光子与激子（半导体中束缚的电子-空穴对）强耦合形成的混合准粒子。

近期，宾夕法尼亚大学与蒙大拿州立大学的研究团队提出了一种新型光子系统，能够稳定地实现光信号对光信号的控制。他们在《Physical Review Letters（物理评论快报）》上发表的论文中，介绍了一种将二维半导体材料二硒化钼（MoSe₂）与光子晶体纳米腔相结合的装置。光子晶体纳米腔可以在极小体积内强烈束缚光场，为增强光与物质的耦合提供理想环境。

蒙大拿州立大学助理教授、论文通讯作者李赫在接受 Tech Xplore 采访时表示：“我们的主要目标是推动全光计算的发展——也就是用光而不是电来处理信息的系统，这是一个长期以来的愿景。由于光传播更快、发热更少，这类系统有潜力比现有电子芯片更强大、更节能。但要实现这一点，我们必须克服一个根本问题：光子本身几乎不会相互作用。”

为了在光子器件中实现全光开关，研究人员首先需要显著增强光子之间的有效相互作用，使其能够承担类似电子逻辑器件的功能，从而完成逻辑运算和复杂计算。

二维材料驱动的超低能耗光学开关

这项工作的核心目标，是利用二维材料，尤其是 MoSe₂，实现全光学开关。研究团队构建的器件基于单层 MoSe₂，这是一种厚度仅为原子级、且电学性质可调的超薄半导体材料。

李赫解释道：“通过让光与原子级薄的 MoSe₂ 单层中的物质发生强耦合，我们可以有效地让光子之间产生相互作用，并用极少量的光能改变整个系统的行为。”

研究人员通过构造激子极化子这一混合态来实现这一点。激子极化子既具有光的特性，又保留了物质的相互作用属性：一方面，由于其部分成分是光子，可以以接近光速传播；另一方面，由于其部分成分是激子，又能通过底层激子之间的相互作用体现出强非线性效应。

为了进一步放大器件中的非线性光学响应，团队将单层 MoSe₂ 集成到光子晶体纳米腔中。这种纳米结构经过精细设计，可以在亚波长尺度上高度局域化光场，从而显著增强被困光子与 MoSe₂ 层中激子极化子之间的相互作用强度。

“纳米腔相当于一个极其精确的光学陷阱，把极化子限制在远小于波长的空间内。”李赫介绍说，“通过把它们挤压到如此微小的体积，我们大幅提升了粒子间的相互作用强度，从而在创纪录的低功率下实现开关阈值，能量约为 4 飞焦耳。”

面向量子与类脑计算的光子平台

通过将二维材料与纳米工程光子结构相结合，研究团队实现了超快、超低能耗的光学开关。该设计未来还可以针对不同应用场景进行进一步优化和改造。

“我们展示了一条在极低光强下切换光信号的技术路径，正在逼近实现光子相互作用所需能量的基本极限。”李赫表示。

他同时强调，这一平台在设计之初就考虑了大规模制造和集成的可行性：“我们采用的是可以用标准制造工艺进行图案化的材料和结构，这表明这类二维材料器件有望被集成到大规模光子集成电路中。这为在单个芯片上集成数千个相互作用光学元件打开了可能。”

未来，这种装置可以与其他光子和电子组件集成，构建多种先进技术系统。例如，它有望用于开发运行人工智能（AI）模型的高速、低功耗硬件平台，以及可扩展的量子计算架构等。

“目前我们的实验结果展示了飞焦耳量级的非线性阈值，但这一数值并非由基础物理所严格限定。”李赫补充道，“我们已经看到清晰的路径，可以将这一阈值再降低数个数量级。现在我们正致力于进一步优化这些纳米结构，有望实现单光子控制另一光子的量子态。同时，我们也在探索‘芯片级集成’，通过连接多个纳米腔，构建复杂的光路电路，用于实现具有实际功能的光学处理器。”

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