比一流商用晶体管快 1000 倍！每秒开关1万亿次的光子晶体管，关键材料用到高分子！

1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。1956年，肖克利、巴丁、布拉顿三人，因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。

与现代电子晶体管不同，光学晶体管，又称光学开关或光阀门，是切换或放大光学信号的装置，在量子计算机、量子信息处理等高精尖领域具有举足轻重的地位。光学晶体管仅使用光而非电子来操纵光，在提高电子设备运行速度的同时，能够有效降低单个晶体管切换所需的能量，降低功耗。相比之下，大多数现代晶体管不仅需要数十倍的能量来切换，而且往往需要庞大的冷却设备，这反过来又会消耗功率并影响运营成本。

近日，俄罗斯莫斯科科尔科沃科学技术研究所和IBM领导的一个国际研究团队开发出一种超快、节能且可在室温下工作的单光子光开关，可以取代新一代计算机中的光子晶体管。除了直接省电之外，该开关不需要冷却，而且速度非常快：每秒可达 1 万亿次操作，比当今一流的商用晶体管快 100 到 1000 倍！同时，该开关还可以作为光学组件，通过在设备之间以光信号的形式穿梭数据来连接设备，并可以用作放大器，将入射激光束的强度提高多达 23000 倍。

更为重要的是，通过使用与光学微腔强耦合的 π 共轭梯形聚合物，利用带有高能分子振动的稳定激子，该开关允许在环境条件下进行单光子水平非线性操作和光子检测。

上述研究成果以“Single-photon nonlinearity at room temperature”为题，于2021年9月22日发表于国际顶级期刊《Nature》上。来自Skoltech光子学和量子材料中心的Anton V. Zasedatelev博士为文章的第一作者和通讯作者，其导师Pavlos G. Lagoudakis为文章的共同通讯作者，合作者还包括来自IBM欧洲研究中心和德国伍珀塔尔大学的研究人员。

01有机分子振动凝聚激子极化子，开关切换速度高达每秒1万亿次！

由于光子本身不会互相作用，因此光学晶体管必须使用介质介导互相作用，比如与有机聚合物强耦合的光学微腔。

在该研究中，作者在两个高反射镜之间放置了一种有机半导体材料（图 1a），以形成一种称为有机微腔的光捕获结构。该微腔由 35 nm 厚的 π 共轭梯型聚合物薄膜组成，称为 MeLPPP，长度为受限光波（波长约为 490 nm）长一半的。

图1. 有机微腔中的极端非线性原理。

随后，作者将两束脉冲激光束（称为泵浦光束和种子光束）射向微腔，同时依靠两个激光将其状态设置为“0”或“1”并在它们之间切换（图1a）。整个切换在微腔中进行，微腔的构建方式使入射光尽可能长时间地被困在内部，以利于其与腔材料的耦合。

在该过程中，有机半导体材料吸收光子从与泵浦光束相同能量的状态（非耦合激子状态）跃迁到与种子光束相同能量的状态（极化子基态），产生了称为激子极化子的复合光物质粒子。这些粒子来自光子和激子之间的强光-物质耦合，它们是电子和空穴的束缚态（电子空位）。

这种转变是由有机分子特有的称为振动激发的现象介导的，可以触发激子极化子的凝聚，从而实现光学晶体管（电子放大器或开关）的功能，这些晶体管提供大量放大和亚皮秒切换时间（1皮秒=一亿万分之一秒）。

02 按需冷凝，共振注入将激光强度增加23000倍！

为了最大限度地提高对地极化子状态的刺激效率，作者优化了种子光束和泵浦光束之间的空间和时间重叠。最后，作者将种子衰减到每个脉冲 460 aJ 的水平，对应于直接共振注入基态的约 1140 个极化子。播种基极化子态极大地增加了激子到极化子的弛豫率，允许在激子储层密度一半的情况下进行极化子凝聚，并提高状态的占有率。

与自发形成的冷凝物相比，共振播种刺激了泵浦激光器的能量转换，增加了凝聚物中准粒子的数量，提高了约 50 倍。研究表明，对于每个共振注入的极化子，对极化子凝聚态占据的少数光子控制具有约 23000 个极化子的记录放大。

图2. 阿托焦极化子开关。红色、绿色和蓝色点分别对应于 26 aJ、4 aJ 和 1 aJ 脉冲种子的极化子凝聚物，而黑点显示自发形成的没有种子的极化子凝聚物的发射光谱。

同时，作者还展示了一种创新的切换方案，比较了使用带有和不带有第二个激光脉冲（种子光束）的激光束（称为泵浦光束）形成冷凝物，并分析了这两种情况之间基态布居的对比（图2a-c）。值得注意的是，尽管即使在 1 aJ 的最低种子能量下，每个脉冲平均仅携带 2.5 个光子，仍然能够解决凝聚体种群的增加，基态总体有近 55% 的差异（图2d）。

03 单光子水平上观测到全光极化子切换，实现单次冷凝检测

为了避免包含多个光子的光状态对激子 - 极化子凝聚的贡献，作者实施了一种单次测量技术，使用相同的泵 - 种子激发几何，同时允许对冷凝物群体进行脉冲到脉冲分析，并使用适当的动量过滤记录真实空间中的光致发光空间（在±1 μm−1 内）。

首先，作者为 300 个顺序记录的脉冲播种基态，然后关闭种子束，允许 300 次连续实现自发形成的极化子凝聚，并连续重复整个序列三次（图3a-e）。结果在存在/不存在包含 ⟨n⟩ = 600、60、9.3、2.7 和 1 个光子每个脉冲的种子脉冲的情况下，单次冷凝实现显示了平均约 350%、160%、60% 的对比度，分别为 25% 和 11%（图3f）。

也就是说，在单个平均光子水平上，作者观察到全光极化子切换，其对比度为~20-30%，在单次冷凝实现的脉冲到脉冲分析后为~11%。

图3. 用于单次冷凝实现的单光子切换。

综上所述，单光子光开关的低功耗主要归功于以下三个方面：

首先，半导体聚合物分子的振动有助于有效切换，其诀窍在于将泵浦态和凝聚态之间的能隙与聚合物中一种特定分子振动的能量相匹配；其次，设法找到了将激光调谐到的最佳波长，并实施了一种新的测量方案，可实现单次冷凝检测；最后，控制激光播种冷凝物及其检测方案以抑制设备“背景”发射噪声的方式进行匹配。

这些措施最大限度地提高了设备的信噪比水平，并防止微腔吸收过多的能量，这只会通过分子振动来加热它。

值得一提的是，有机分子在量子光学技术中变得越来越重要，有机极化子的快速发展为环境条件下的全光开关和逻辑开辟了新途径。