Nature | 激光“逻辑门”：让计算机快100万倍

撰稿 | 张天宇（电子科技大学 博士生）

长期以来，在科学技术研究中存在一个重要的需求：在满足自然规律的前提下，实现工作时间尺度接近极限（尽可能小）的电子学和信息处理方法。

为了实现这个目标，一个极具潜力的方法就是利用激光来引导材料内电子的运动，并利用其中存在的物理效应来实现电子学基本元件的构建。这个概念也被称为“光波电子学（lightwave electronics）”。

极其特别的是，虽然利用目前的超快激光技术已能够产生时间尺度在飞秒（femtosecond, fs, 10-15 s）量级的电学信号，但是我们还无法在这样的极短时间尺度内实现信息处理。

在传统的电子线路中，逻辑门是由晶体管组成的，其工作频率大致在吉赫兹量级（gigahertz，GHz，10⁹ Hz），而激光却能够产生时间尺度在飞秒量级的超快脉冲信号。这意味着如果能够结合超快激光技术，传统电子线路中晶体管的工作效率（或工作频率）有可能提高一百万倍以上。

近日，来自德国埃尔朗根-纽伦堡大学 Peter Hommelhoff 教授研究小组和美国罗切斯特大学 Ignacio Franco 副教授课题小组的研究人员在这个方向走出了决定性的一步：基于超快激光技术，首次实现了一个工作在飞秒时间尺度的逻辑门，并且有望在未来使得计算机工作的速度提高 100 万倍以上。

这个工作以“Light-field control of real and virtual charge carriers”为题近日发表在Nature。

图1：一种新的逻辑门类型：能将由实和虚载流子产生的电流进行叠加，实现至今为止最快的逻辑门。其中，两种不同的载流子是由于两个同步激光脉冲入射到与金电极连接的石墨烯微带结构的不同位置产生的。
（图源：美国罗切斯特大学/Michael Osadciw）

联合研究小组利用超短超强激光脉冲，通过对实和虚载流子（real and virtual charge carriers）的独立控制，产生了一个时钟频率位于拍赫兹（petahertz，PHz，10¹⁵ Hz）的逻辑门。这个基于“光波电子学”的研究结果，为实现超快信息处理提供了新的方式。

此外，值得一提的是，凭借其在实验物理方面做出的巨大贡献，Peter Hommelhoff 教授近日获得了德国最重要的研究奖项之一，莱布尼兹奖（Gottfried Wilhelm Leibniz Prize）。

图2：左）Peter Hommelhoff（德国埃尔朗根-纽伦堡大学教授，激光物理系主任）；右）Ignacio Franco（罗切斯特大学物理系/化学系副教授）

一个实现更快逻辑门的途径

2007年，当时还在加拿大多伦多大学攻读博士学位的 Ignacio Franco 从理论上提出了一个将激光脉冲转化为电学信号的想法（Physical Review Letters, 2007, 99(12): 126802）。这个想法的实现是基于一种将碳基材料形成的分子线连接在一对金属电极之间的纳米间隙结构。他详细的论述了：由于超快飞秒激光脉冲使得材料能级出现明显变化，处于两个电极之间的碳基分子线中产生微小电流信号的物理过程。

六年后，即 2013 年，来自德国马克斯普朗克研究院量子光学研究所的 Ferenc Krausz 和同事们从实验上验证了这种物理机制（Nature, 2013, 493(7430): 70-74）。在这个工作中，他们利用了稍微不同的材料类型：将玻璃线放在一对金属电极之间。这个实验中详细的物理解释在 2018 年被 Ignacio Franco 的研究小组所完成（Nature Communications, 2018, 9(1): 2070）。

然而，包括这些研究在内，之后的所有研究都无法揭示在电流产生过程中实和虚载流子所发挥的作用。事实上，两种载流子都是电子，但是前者在激光脉冲停止照射后仍可以作定向移动，而后者将在激光停止照射后将停止定向移动，而这也是两者名称有所区别的本质原因。

其中，对于实载流子和虚载流子的准确定义如下：

实载流子：在激光停止照射后，那些仍可以做定向运动的被光激发出的电子。

虚载流子：当激光停止照射后，那些不再能够做定向运动并且只在激光激发时存在的电子。

实和虚载流子的产生  

在本项研究中，Peter Hommelhoff（主要负责实验实现）和 Ignacio Franco （主要负责数值计算）联合研究小组在金属电极之间放置了石墨烯微带结构。在研究中，他们的关键控制手段是载波包络相位，其可以量化描述脉冲包络峰值和其载波之间的相位偏置。为了产生实载流子，他们使用了电场峰值位置与包络之间相位差为 ±π/2 的激光脉冲。这将会导致光矢量对应电势的正负幅值之间峰峰值（即正负幅值模值或绝对值的和）最大。这样，从石墨烯导带上激发出来的电子将会获得最大的净动量。

与此相反，利用相位差为 0 或者 π，可以产生虚载流子。这种类型的脉冲将会导致材料中电子的空间分布呈现出最大可能的非对称性。在脉冲入射的情况下，这些电子能够在石墨烯和电极的交界处被捕获，因此能够对传导至电极处的电流作出贡献。因此，通过上述手段，他们能够根据需要来控制实或虚载流子的独立产生和叠加，这一点对于后续实现超快逻辑门来说十分重要。通过改变石墨烯微带长度和近红外激光的脉冲特性，他们证明了这两种完全不同的电流贡献机制。

向激光驱动的逻辑门迈进

逻辑门是计算机相关技术中的基本组成要素，以“0”或者“1”的形式，控制着信息的处理。其运行需要两个输入信号（都是“0”或者“1”的形式），运算后产生一个逻辑输出信号（“0”或者“1”）。在这里，他们的输入信号则是两束同步激光脉冲之间载波包络相位的差值。根据这个差值的不同，两路电流信号可以做逻辑运算。

为了实现逻辑电路，研究人员利用两束激光脉冲激发同一个石墨烯微带结构。这两束激光脉冲可以分别产生实和虚载流子，并且可以做到让它们相互叠加。此外，研究人员还可以控制两个脉冲之间载波包络相位的相对值。随后，他们利用四个合适的相对相位值，建立了一个真值表，并且在达到一定阈值时，规定输出电流为“1”。

特别的是，他们证实了如何建立或非门（NOR）的真值表，即通过选择那些只在输入为（0,0）情况下输出为 1 的相位值。此外，也可以选择其它的相位组合，来直接建立一系列其它的逻辑门，其中包括与门（AND）、或门（OR）和与非门（NAND）。

“最开始”的一步：从基础到应用

这项从基础研究中产生的全新且具有潜在转化性的技术，表明了在纳米尺度的系统中电荷是如何被激光驱动的。利用基础研究中理论和实验的联系，本工作详细分析了由激光诱导产生的实载流子和虚载流子的作用，并且首次揭示了一种新的产生超快逻辑门的方式。

Peter Hommelhoff 教授认为：利用超快激光脉冲来打破传统电子学器件时钟频率上限的想法是可行的。但是，在其正式推广到商业化用途之前，还有一系列复杂的问题需要解决。比如说，如何在逻辑门数量大幅增加的情况下仍然保持其高速的运行速度，以及利用近场光学技术在脉冲强度较低的情况下减小逻辑门的尺寸等。在验证这种全新机制逻辑门的基础之上，之后的工作需要更多地将这些基础应用研究转换成新的技术，并应用到人们的具体生活中。

此外，Ignacio Franco 认为：这项工作是一个很好的例子，说明基础科学如何引领新技术的发展。基础理论和实验手段的强强联合，为新的重大基础发现和潜在的技术应用提供了更多的可能。

| 论文信息 |

Boolakee, T., Heide, C., Garzón-Ramírez, A. et al. Light-field control of real and virtual charge carriers. Nature 605, 251–255 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04565-9

| 参考资料 | 

1.https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2022/may/laser-based_logic_gates_beckon/?src=hplead

2.https://www.rochester.edu/newscenter/laser-driven-logic-gates-petahertz-ultrafast-computers-522142/

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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