快速切換發光奈米晶體：讓運算邁向低耗能新境界

科學家已成功製造出能夠在發光與黑暗之間快速切換的奈米晶體，其切換速度之快，足以應用於運算領域。儘管最初示範中所使用的部分材料可能會阻礙其廣泛應用，但在處理需求飆升的當下，這項發現仍是邁向低耗能資訊科技長路上的重大進展。

去年太陽能發電裝置的安裝量極大，一些專家預測全球化石燃料的消耗量可能已達到峰值。然而，不同意此觀點的人則指出能源消耗仍在增加，尤其是人工智慧和加密貨幣挖礦方面。與其只是觀察可再生能源能否趕上快速增長的能源需求，一些研究人員希望找到更節能的方式來進行這兩大耗能領域所依賴的計算。

在這場節能競賽中，摻雜奈米晶體成為了新的參賽者。這些奈米晶體的亮暗狀態可以分別代表資訊儲存中的 1 和 0。它們屬於一種稱為光學雙穩態的材料類別，也就是說，根據先前的光照情況，它們在光的發射、反射或透射方面可以處於兩種狀態之一，而且除非有外力改變，否則任何一種狀態都能長時間保持。先前的光學雙穩態例子存在嚴重缺陷，例如依賴溫度變化，這使得難以避免相鄰晶體之間的幹擾。

俄勒岡州立大學的阿蒂奧姆・斯克裡普卡博士在一份宣告中表示：「通常情況下，發光材料在受到雷射激發時會發光，未受激發時則保持黑暗。然而，我們驚訝地發現，我們的奈米晶體有著不同尋常的特性。在某些條件下，它們會表現出奇特的行為：在完全相同的雷射激發波長和功率下，它們既可以是明亮的，也可以是黑暗的。」

本研究展示的光學雙穩態晶體，可利用特定強度以上或以下的雷射光照來寫入或擦除資訊。當雷射功率超過某一特定值時，晶體會發光；而當光照強度降至較低閾值以下時，晶體則會熄滅。在這兩個閾值之間有一個很大的區間，晶體會保持先前的狀態。

斯克裡普卡繼續解釋道：「如果晶體一開始是黑暗的，我們需要更高的雷射功率才能將它們開啟並觀察到發光現象。但一旦它們開始發光，我們就可以用比初始開啟時更低的雷射功率來維持它們的發光狀態。這就像騎腳踏車一樣，要讓腳踏車動起來，你必須用力踩踏板，但一旦它開始移動，你就只需要花費較少的力氣來保持它的前進。而且它們的發光可以像按下按鈕一樣突然開啟和關閉。」

數十年來，光子學一直是研究的熱門領域。光子學旨在用光子取代電子進行運算，其潛在好處巨大，首先光是傳播速度遠遠超過電子。然而，要讓光子學在實際中發揮作用卻困難重重。而這些晶體可能提供了一個關鍵的組成部分。

斯克裡普卡指出：「將具有固有光學雙穩態的光子材料整合進去，可能意味著更快、更高效的資料處理器，能夠增強機器學習演演算法和資料分析能力。這也可能意味著在電信、醫學成像和環境感測等領域使用的光學裝置將更加高效。」

不過，斯克裡普卡及其同事展示的晶體的基質化學式為 KPb₂Cl₅，這可能會引發一些潛在問題。社會終於意識到鉛帶來的危害，正盡可能地尋求替代這種金屬，而不是開發新的含鉛應用。在執行的電腦中，這些晶體可能不會造成問題，但在處理舊機器時，它們的存在可能會成為一個難題。

此外，這些晶體在摻雜釹 3⁺ 離子之前不會發光。釹是所謂的「稀土元素」之一，目前正引發地緣政治緊張局勢，因為其礦石的加工主要由中國主導，一些人擔心中國可能會切斷對被視為敵對國家的供應。

而且，這項實驗是在將晶體冷卻至接近 -200 °C（-328 °F）的條件下進行的，這顯然也存在一些實際應用的難題。

斯克裡普卡表示：「在我們的發現能夠應用於實際之前，還需要更多的研究來解決可擴充套件性以及與現有技術整合等挑戰。」儘管存在這些缺點，但與節省的能源相比，這些問題可能是值得克服的。理想情況下，既然我們已經知道在比以往更有利的條件下可以實現光學雙穩態，未來的研究有望找到更好的方法來達成同樣的目標。這項研究成果已發表在《自然・光子學》期刊上。