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窗户秒变镜面?新材料将造福超速计算

研究人员利用宽带超快光谱技术研究了Ta2NiSe5的非平衡动力学,证实其在近红外范围内的瞬态反射率,与系统的低能量物理特性有关。

速度问题和能耗问题,已经成为未来计算机发展的巨大障碍。当地时间3月16日,英国剑桥大学卡文迪许实验室(CLUC)的研究人员在《自然通讯》杂志发文称,他们发现了一种可以协助解决速度、能耗问题的材料。

用光替代电进行计算,有望超越当今计算机的极限。其中,光开关能够轻松完成按需反射或传输光过程。虽然光计算研究发展迅速,但在光开关方面仍然缺乏重大突破。

研究人员在最新研究中阐述的新材料Ta2NiSe5在受到短激光脉冲轰击时,能在千万亿分之一秒内完成“窗户-镜面”切换。这为未来计算机的超快切换奠定了基础。

Ta2NiSe5看起来很像一大块铅笔芯,在室温下表现出绝缘特性――当红外光照射到绝缘态的材料时,它会像一扇窗户一样,让光直接穿过。而当受热时,这种材料会变为金属态,像镜面一样反射光线。

“Ta2NiSe5在被加热时,可以在‘窗户’和‘镜面’之间切换,但加热物体是一个非常缓慢的过程。”研究负责人Akshay Rao博士说,“我们的实验表明,短激光脉冲可以在10~15秒内触发‘转换’效果,其速度比现在使用的计算机开关快上百万倍。”

研究人员希望通过研究材料行为,证明新物相“激子绝缘体”的存在性。自20世纪60年代,相关理论建立以来,这种物质的实验研究一直颇具挑战性。

Rao博士说:“从很多方面来看,这种激子绝缘相与普通绝缘体高度相似,但两者的金属化转变速率存在显著差异。对普通绝缘体而言,从绝缘体变成金属就像冰块融化,原子移动位置并重新排列,这是一个非常缓慢的过程。而对激子绝缘体而言,金属化转变可能发生得非常迅速,因为原子不需要通过移动来切换相态。如果我们能够找到一种测量转变速度的方法,就有可能揭开激子绝缘体的神秘面纱。”

为此,研究人员用一系列短激光脉冲扰动材料,并测定其反射变化情况。他们发现,在室温下,当强激光脉冲集中Ta2NiSe5时,它立刻显示出金属状态特征,在时间尺度上切换为“镜面”。这为证实Ta2NiSe5的激子绝缘特性提供了有力证据。

论文作者Hope Bretscher表示:“这项工作不仅清除了遮蔽材料的迷雾,为其不寻常的量子力学行为开辟了新视角,还突出了新材料作为超快开关的潜质。事实上,为了使光开关具备有效性,它不仅必须能够快速地从绝缘相过渡到金属相,还需要具有足够迅速的逆向过程速率。实验结果显示,Ta2NiSe5恢复绝缘态的速率,比其他候选材料快得多。这种迅捷的镜面-窗户-镜面切换能力,对于计算应用来说意义非凡。”

Rao博士补充道:“虽然现在还无法用Ta2NiSe5生产量子开关,但我们已经找到了一种应对超快计算和能耗问题的新方案。”

科界原创

编译:德克斯特

审稿:西莫

责编:陈之涵

期刊来源:《自然通讯》

期刊编号:2041-1723

原文链接:

https://phys.org/news/2021-03-window-mirror-material-paves-faster.html

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