“光压”是什么?它能“驱动”未来人类的科技进程吗?

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“光压”是什么?它能“驱动”未来人类的科技进程吗?

光压驱动风车

光压风车装置是一个由玻璃球体内装有黑、白亮色叶片组成的风车,黑色面即光吸收面,白色面即光反射面。当强光照射到这些玻璃裸壳内的黑、白叶片上,由于光粒子对叶片产生的光压差作用,将把光能转换成机械能,推动叶片旋转。打开产品顶部光源,强光照射在光压风车群体上,风车叶片随即转动。由于风能与太阳能都是取之不尽用之不竭的清洁能源,推广光压风车因而有着特殊的意义。

光压驱动纳米机械

在地球上,太阳光的作用力实在是微乎其微,没有人能用阳光来移动一个物体。但是,《自然》杂志上,一篇由美国耶鲁大学中国学者发表的文章首次证实,在纳米世界里,光可以驱动“机器”——由半导体做成的纳米机械。

在宏观尺度上,光地力实在太微弱,没有人能感觉到;但是,在纳米尺度上,光具有相当可观的力。在上述论文中,研究人员成功驱动了像集成电路上的三极管一样大小的纳米级光子集成电路。其实,此前光压力已经被物理学家和生物学家应用于一种叫“光镊”的技术中,用来操控原子和微小的颗粒。最新研究却是把光集成在一块小小的芯片上,使它的强度增加了数百万倍,从而用来操控纳米半导体器件。

在耶鲁大学的实验室里,科学家们使用最先进的半导体制造技术,在硅芯片上铺设出一条条光的线路,称之为“光导”。当激光器发出的光被接入这样的芯片,光就可以像电流在导线里一样,沿着铺好的“光导”线路“流”动。

他们把一小段只有10微米长的光导悬空起来,如同一座纳米桥梁,由于光压,光会对引导它的导线产生作用力,让它可以像吉他的弦般产生振动。当光的强度被调制到和光导的振动一致的频率时,共振就会产生,继而就会在透射的光中产生同样频率的一个共振峰,共振就会使光的振动幅度增大2000多倍。

这样,光作用力的效果就被放大了,所以很容易被测量到。因为光的速度比电流要快得多,所以这种光产生的力有望能以几十吉赫兹(GHz)的速度驱动纳米机械。

这项研究成果首次证明了光的能量可以有效地聚集在极区,有望引领新一代半导体芯片技术——以光代电。未来,利用这项新技术,科学家和工程师可以实现基于光学和量子原理的高速高效的计算和通信,即集成电路上的光通信。与电信号相比,利用光来传输信息将快得多,功耗也低得多。如果计算机的整个集成系统能够通过光通信,计算机的运行速度可以比现在快10倍以上。在这个高速发展的时代,光在集成芯片中的应用将大大提高我们的工作效率和生活效率。

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