一滴液晶，即可將聚合物結構轉變為全光邏輯器件基礎

在柔軟的聚合物柱之間注入一滴液晶，便構成了一種新型光子器件的核心。圖片來源：萬德納?夏爾馬、亞卡?扎普洛特尼克等人

依靠光而非電工作的光子器件，有望比現有電子器件速度更快、能效更高。這類器件還為使用柔性材料（如聚合物、凝膠）開辟了獨特路徑 —— 這些材料導電性能差，但更易制造、也更環保。然而，開發這類柔軟、可彎曲的光子器件，需要實現用光直接控制光，而非依靠電信號調控。

在軟物質領域，以往實現光控光主要依靠改變光學材料的物理特性，或使用強激光脈沖改變光束傳播方向。如今，一支國際科研團隊開發出一種全新方法：僅需極低光強，且無需改變材料任何物理屬性，即可實現用光控制光。

項目負責人、盧布爾雅那大學物理學教授伊戈爾?穆舍維奇表示，他最初是在舊金山一場會議上，聆聽斯特凡?W?赫爾關于受激輻射耗盡（STED）顯微術的報告時，萌生了該器件的設計靈感。赫爾憑借這項成像技術榮獲 2014 年諾貝爾化學獎，其原理是利用兩束激光產生極細光束掃描物體。穆舍維奇回憶道：“看到這項技術時我就想，這不就是用光操控光嗎？”

這一感悟最終催生出一款新型器件：向其發射一束激光脈沖后，光束能否從器件中輸出，完全取決于在不到 1 納秒內是否發射第二束脈沖。

液晶光子開關

該器件核心為一顆球形液晶微珠，依靠材料彈性與分子間作用力維持形態，內部摻入熒光染料，并被四個直立錐形聚合物結構夾持，負責引導光線進出。當激光脈沖通過其中一條聚合物波導入射時，光線會迅速傳入液晶，激發熒光染料。

在回音壁模式共振效應下，液晶內部的光子每次撞擊球形液面都會被反射回內部，最終在諧振腔內循環，直至被反射至某條波導，并以激光形式向外輸出。

研究團隊發現：在液晶釋放第一束激光脈沖的光之前，向波導注入另一束不同波長的激光脈沖，可使受激染料分子發生受激輻射。第二束脈沖需在第一束之后射入，與已被激發的染料分子相互作用，促使染料釋放與第二束脈沖完全相同的光子，同時耗盡第一束脈沖的能量。

這束被稱為STED 光束的第二束激光會在過程中被放大，而第一束脈沖的光則大幅衰減直至完全無法輸出。由于第一束激光的輸出結果可由第二束控制，團隊成功實現了用光控制光。

盧布爾雅那大學團隊表示，這種液晶方案的能效遠優于以往的軟物質光子技術—— 傳統方法通常需要強光場改變軟物質的折射率等材料特性，而新方法將所需能量降低了百倍以上。由于 STED 激光脈沖會在晶體內反復循環，單個光子即可耗盡多個染料分子所吸收的第一束脈沖能量。

同樣參與該項目的盧布爾雅那大學理論物理學家米哈?拉夫尼克解釋道，光控光是軟物質光子邏輯門的核心：“你可以精準控制光的產生時機與傳播方向，這就賦予了你用光執行邏輯運算的能力。”

超越硅基光子學的技術優勢

穆舍維奇表示，除了在光子邏輯電路中的潛力，該方案相比硅或其他硬質材料光子器件還具備多項技術優勢。例如，軟物質的使用大幅簡化了制造流程：團隊器件中的液晶可在一秒內完成注入，而用硬質材料制備類似結構則難度極高。此外，軟物質器件的加工溫度遠低于硅基器件。

穆舍維奇還指出，軟物質為器件幾何結構設計提供了廣闊空間。使用液晶 “可以制作多種不同類型的諧振腔”，他說：“可以說，工程設計空間非常大。”

拉夫尼克對這一突破的前景倍感振奮，尤其看好其在光子計算乃至光子神經網絡上的應用潛力。但他也承認，這些應用仍十分遙遠。“這項技術目前完全無法與現有神經網絡實現方案競爭，” 他坦言。盡管如此，其潛力依舊令人向往：“理論能耗極低，運算速度極高。”