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woshilaoer

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专业: 基础物理学

[交流] 以“激子”为基础的电路被证实

美国加州大学圣迭戈分校的物理学家证明，一种称为激子（excitons）的粒子，因其在衰变时可发出闪光，有可能被应用于一种新形态的运算，从而加快通信速度。该校物理教授莱昂尼德·布托夫及其同事，已制造出数个基于激子的晶体管，这些晶体管有望成为新型电脑的基本模块，他们所装配出的电路也成为世界上第一个使用激子的运算装置。该成果发表在本周的《科学》（Science）杂志网络版上。

晶体管是电子设备的基本模块，目前均使用电子来传递计算所需的信号。但几乎所有的通信设备都使用光或光子来传送信号，信令语言需要从电子转换成光子，因而限制了电子设备的运行速度。

布托夫称，新型晶体管使用激子来处理信号，如同电子一样可由电压来控制，但并不需要在电路的输出端转换成光子。由光在砷化镓之类的半导体中制造出来的激子，可将带负电的电子从一个带正电的空穴中分离。如果这一对仍有连接，它就会形成激子。当电子与空穴重新结合时，激子就会衰变，其能量将以一道闪光释出。

布托夫等人使用了一种特别类型的激子，电子与其空穴被限制在相距数个纳米的不同量子阱。这样的设置创造出了利用电极提供电压来控制激子流动的机会。这些电压“门”制造出的能量冲击，能够暂停激子的移动或允许它们的流动。一旦能量壁垒被移除，激子就能够行进到晶体管的输出端，并转换成光，直接馈入通信电路，排除了转换信号的需要。研究人员表示，这种激子到光子的直接耦合，桥接了运算与通信之间的缺口。

科学家们通过将激子晶体管结合形成数种类型的开关，从而创造出一种简单的集成电路，它能精确地指挥信号沿着一个或数个路径前进。因为激子的速度很快，所以这些开关能迅速翻转。到目前为止已证明可实现200皮秒（1皮秒为1万亿分之一秒）量级的切换时间。虽然激子运算本身也许并没有电子电路来得快，不过当信号送往另一台机器，或在一个芯片上以光学连接的不同部位间传递时，速度优势就会显现出来。

布托夫等人所研制的电路表明，激子可用来进行运算，但在实际应用时将需要使用不同的材料。砷化镓激子电路只能在低于40K（-233℃）的寒冷温度下运行，这是因激子结合能而产生的限制。温度高于此，电子将不会与它们的空穴结合而在结构中形成激子。研究人员表示，通过选择不同半导体材料可增加运行温度。（来源：科技日报冯卫东）

（《科学》（Science），DOI: 10.1126/science.1157845，A. A. High, A. C. Gossard）

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