光學計算新曙光，改變光線方向的納米天線

俄羅斯與美國研究人員開發出了一項新技術，可以通過一種新型的納米光學天線（optical nanoantenna）改變光線方向。研究人員相信，這種納米天線將引領電信系統中的光信息處理技術進入一個新時代。

當然，用光子代替電子是光學計算的基礎，但真正實現這個轉換則困難重重——不僅因為光子既沒有質量也沒有電荷，更因為它不像電子一樣，通過簡單地施加電場就能進行控制。為了實現光學計算，光子需要有像電子一樣簡單的控制機制。波導管（Waveguides）能夠實現光線的長距離定向傳播。納米天線工作原理不同，它並不傳導光，而是反射光子，將光打向一個特定的方向。具體方向是由納米天線的材料和幾何結構決定的，正如傳統天線一樣。

但是，新型納米天線的特別之處在於光子散射方向的可調性。這支由俄羅斯聖彼得堡ITMO大學、莫斯科物理技術學院（MoscowInstitute of Physics and Technology，MIPT）以及美國奧斯汀得克薩斯大學（Universityof Texas in Austin）的研究人員組成的團隊表示，即使不改變納米天線的物理尺寸，也能使入射光的散射方向發生變化。

該國際研究團隊在《Laser& PhotonicsReviews》期刊上，描述了他們開發出一個極小(尺寸小於200×200 ×500納米)的硅基納米天線，能根據入射光波的強度推動光子沿特定方向運動。

「這項新設備將使我們能夠改變光傳播的方向，並比基於電子的類似設備更加靈敏。」 ITMO大學的高級研究員SergeyMakarov在一份新聞稿中說道。

該研究提出的納米天線由硅納米顆粒組成，作者以前證明了使用這些納米粒子控制光散射的可能性。

當硅納米顆粒受到激光照射時，產生一個電子等離子體（electron plasma）。這個電子等離子體不是我們所熟知的表面等離子體，而僅是一束吸收光後注入半導體導帶的(自由)導電子。它們是自由的，意思是它們可以在半導體中自由移動 (直到能量殆盡，降到它們原來的價帶)。

「表面等離子體是這些自由電子的特殊振動，這些振動可能只有當自由電子密度相當大時才出現——然而我們的納米天線中沒有那麼多的電子。」 MIPT 的研究生DenisBaranov在IEEE Spectrum的電子郵件採訪中解釋道。 「所以，雖然有相同的電子產生等離子體，但它們的密度不足以產生表面等離子體。」

納米天線旋轉散射圖案採用了硅等離子體激勵機制。從本質上講，入射光越強烈，圖案旋轉角度越大，最高可達到20度。

「一旦你為納米粒子選擇了特定的直徑和位置，並把它們組裝成一根天線，那麼光散射的方向就固定了。「Baranov說。「但是當納米粒子被強大的脈衝輻照後，產生的等離子體會改變納米粒子的折射率，進而影響整個納米天線的光學性質。」

特別的是，正是產生的等離子體改變了光散射的方向。「實際上可以認為組成材料的粒子發生了輕微變化：你改變了材料，雖然沒有改變幾何結構，但卻有了一個產生不同散射方向的天線。「Baranov補充道。

這種納米天線還具有另一個設計特點，其中一個硅納米粒子是共振的，而另一個是非共振的。這樣做是為了增強光線路徑改變的效果。

「假設我們有一個由兩個相同粒子構成的納米天線。由於對稱性，它不能向側面散射光線，而總是向前散射。」Baranov解釋道。

然而，當一個粒子是共振的，它能產生很強的等離子體，而另一個非共振粒子不能產生。這使納米天線能夠具備所要求的不對稱行為。

「如此一來，同樣的一根納米天線能夠向側面還是向前散射光，取決於入射光強度。「Baranov說。「使用弱脈衝不能產生等離子體，由於天線是不對稱的，它能向側面散射光。當用強脈衝時，共振粒子會產生等離子體，天線似乎具備了一種「對稱性」，所以它能向前散射光。」

光纖能夠以每秒數百Gbit的速率傳輸數據，而電子計算機處理此類信號的速率則遠不及此。本次研究提出的光學天線支持數據的速率高達250 Gbit /s——這個速度可以填補光學數據傳輸速率和電子數據處理速率之間的鴻溝。