超表面技术突破使激光速度成为现实

国际科学家合作研发出一种突破性的纳米材料，有望大幅提升激光的传输速度。这种新型超表面能够以仅74飞秒（74quadrillionthsofasecond）的速度控制和塑造光束。

加州大学伯克利分校和特拉维夫大学的科学家们在近期发表于《自然·纳米技术》杂志的一篇论文中，公布了他们在加州理工学院实验室研发的这种新型光学表面。

据这项突破性成果背后的团队称，他们的研究将对通信、传感、成像乃至量子技术产生深远影响，为“高速”光操控树立新的标杆。

光控制

自20世纪80年代光纤技术发展以来，激光和光脉冲一直是许多关键尖端技术的基础。先进的计算机、通信系统、传感器，甚至难以捉摸的量子系统，都依赖于对光的控制。

光速快得惊人，物理学家甚至将其视为物质在真空中运动速度的极限，但我们的技术对光速的反应速度却远不及此。

科学家们突破性的超表面技术包含比光波长还要小的硅结构，从而形成超薄表面。硅的光学特性在激光脉冲轰击下会发生变化，而该团队通过纳米结构设计显著增强了这一特性。在他们的设计中，材料的特性通过光脉冲进行改变，从而改变材料对照射在其表面的第二束光的影响方式。值得注意的是，他们的超表面技术无需任何移动部件（例如，镜子或透镜）即可实现对光束的控制。

实际应用成果

研究团队进行了实验室测试，将光束操控角度调整至多13°，并将其重塑成不同的图案。

“关键在于创造一种光学响应并非一成不变的超表面，”论文第一作者克劳迪奥·海尔博士说道，“通过改变照明图案，我们可以重新配置器件对光线的引导和塑造方式，并且能够在超快的时间尺度上实现这一目标。”

论文共同作者利奥尔·米凯利博士表示：“最令人兴奋的是看到一个酝酿多年的想法最终成为实验现实。我们想要利用的超快效应本身非常微弱。我们必须设计出能够充分放大这种效应的超表面，不仅是为了测量它，更是为了利用它来引导和塑造光线。”

尽管超表面在实验室观测中展现出了破纪录的速度，但其究竟能达到多快的速度仍不确定。研究人员指出，开关时间和激光脉冲持续时间非常接近，这意味着更快的脉冲速度可以进一步提升光学表面的速度。

光技术的未来

这种新型超表面可能带来的主要潜在进步之一是构建以光为主要载体、端到端传输信息的系统。目前的通信系统使用光来传输信息，但这些信息需要转换成电信号才能进行处理。通过提高光的操控速度，可以减少将光信号转换成电信号的必要性，从而简化计算过程。

“这项研究揭示了一个更广泛的机遇：利用工程结构增强光与物质之间的相互作用，并将其转化为控制、传感和信息处理的工具，这与我们目前在特拉维夫大学开展的研究方向密切相关。”米凯利介绍道。

尽管前景可期，但这项研究仍处于基础研究阶段。虽然尚未达到实际应用阶段，但这种超表面有望在未来的超高速计算应用中发挥作用，或许很快就能帮助人们省去电子转换这一中间环节。