前沿科技之首个光子电路问世

扫街

21世纪的技术世界，有巨大的进步是在电气工程方面，特别是能够精致地控制流动的电荷，使用日益缩小而又复杂的电路。这些电气进步仍然走在前面，宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）的研究人员也在推动电路进步，他们采取的是不同的方法，就是用光取代电。
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“考察上个世纪成功的电子学，我总是不明白，为什么我们要局限于使用电流制作电路，”纳德 恩格海塔（Nader Engheta）说，他是宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院电气和系统工程系教授。如果我们转向更短的波长，在电磁波谱中，比如采用光，我们就可以使制成的东西更小，更快，更高效。”
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7 w! U1 y; K3 U4 T7 b  Q* E& {5 Z9 N 不同的排列和组合，使电子电路有不同的功能，范围很大，从简单的电灯开关到复杂的超级计算机都可以。反过来，这些电路的制备，需要以不同的方式排列电路元件，如电阻器（resistors），电感器（inductors）和电容器（capacitors），这些元件控制流动的电子，在电路中具有数学上精确的方式。电路和光学都遵循麦克斯韦方程（Maxwell's equations），这一基本公式描述电磁场的性能， 因此，恩格海塔设想用光制作电路，就不只想象的东西。 2005年，他和他的学生发表了一篇理论文章，概述了光电路元件如何工作。

4 L( i2 y1 O, ]5 w: Z( e2 |9 X 现在，他和他的小组在宾夕法尼亚大学使这个梦想成为现实，他们创造了第一个实物演示的“集总”（lumped）光电路元件。这标志着一个里程碑，属于新兴科学和工程领域，恩格海塔称为“元子”（metatronics）。
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- I6 X- x, v- N" d 这项研究发表在2012年1月29日一期的《自然材料》杂志上，题为《实验制成光学集总纳米电路采用红外波长》（Experimental realization of optical lumped nanocircuits at infrared wavelengths）。
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8 d  i3 }# i* {; W  Q, H 在电子产品中，“集总”名称是指一些元件，可以看作一个黑盒子，这种东西把给定的输入信号，转变为完全可以预测的输出信号，工程师不必担心内部的元件究竟如何工作，每次都可以这样设计电路。
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“光学一直就有就自己的类似元件，这些东西比如透镜，波导和光栅，”恩格海塔说，“但它们从来没有进行集总。这些元件都比光的波长大得多，因为可以轻松制作的就是这些，都是在过去的日子。对于电子产品而言，集总电路元件总是远远小于操作波长，这些都是在无线电或微波频率范围。“


! M, C% X+ g& r7 o6 W5 w# ^. q! Z 纳米技术目前已开辟了可能性，可以集中光电路元件，制成的结构尺寸可以达到纳米尺度。在这个实验案例中，这种结构是梳状长方形阵列的纳米棒，是用硅亚硝酸盐（silicon nitrite）制成。

“元”（meta）在元子（metatronics）中是指超材料，这是相对较新的研究领域，纳米尺度的模式和结构内嵌于一些材料，使它们可以操纵光波，这些方法以前是不可能的。在这里，纳米棒的横截面和它们之间的间隙，形成一种模式，可复制电阻器，电感器和电容器的功能，这是三个是最基本的电路元件，但都是在光的波长。
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“如果我们有光学版本的集总元件，那么，在我们的所有组件中，我们就可以进行实际设计，类似我们在电子产品中所做的设计，但现在的操作是使用光，”恩格海塔说。“我们制作电路可以采用光”。
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: J; Y" U" d1 g9 \5 U 在他们的实验中，研究人员照亮这些纳米棒，采用光信号，这种光波属于中红外范围。然后，他们用光谱仪测量光波，因为光会穿过梳状纳米棒阵列。重复这一实验，使纳米棒采用9个不同组合的宽度和高度，研究人员发现，光“电流”和光“电压”会改变，原因在于光电阻、电感和电容，它们的不同参数会对应那些变化的尺寸。
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“纳米棒截面的作用，相当于电感和电阻，纳米棒之间的气隙相当于电容，”恩格海塔说。

0 x  p3 t% O6 ?8 u7 ]" } 可以改变尺寸和纳米棒的制作材料，此外，这些光学电路的功能也可以改变，只需要改变光的方向，就会赋予元子电路一些配置，这是传统电子产品不可能的。
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! D1 O5 {; K1 W 这是因为，光波具有偏振；电场在光波中振荡，具有确定的空间方向。在元子电路中，是电场交互作用，被元件改变，因此，改变电场的方向，就像给电路重新布线一样。
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8 x  d7 b+ H9 h7 z* C “这种定位赋予我们两种不同的电路，这就是为什么我们称之为立体电路”，恩格海塔说。 “我们甚至可以让光波倾斜到达纳米棒，这样可以获得某些东西，这是常规电子产品就所没有的：这种电路既不是串联，也不是平行，而是混合了两者。”

这一原则可以用于更高层次的复合状态，只需要使制成的纳米棒阵列具有三个维度。光信号到达这种结构的顶端，进入的电路会不同于到达侧面的光信号。因为采用这些基本光学元件，取得了更大的成功，恩格海塔和他的小组奠定了基础，可制作这种复杂的元子电路。
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9 _7 O2 x% N( T, X  R “另一个原因是，成功制作电子产品，必须采用模块化，”他说。“我们可以制作无限数量的电路，这取决于我们如何排列不同的电路元件，就像我们可以把英文字母排列成不同的单词，句子和段落。
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“我们现在正在研究一些设计，用于更复杂的光学元件，”恩格海塔说。“我们在寻求制作这些新的字母，要逐个进行。”

研究资金部分来自美国空军科研办公室（U.S. Air Force Office of Scientific Research）。

小鼠大胆

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  P3 T2 |, t! u' A* G拜读了扫街的文章，每次的前沿科技都不是中国的。美国怎么总是在科技前沿啊？中国的科技怎么最落后呢？咱们国家能追赶目前米国的技术吗？答案是不行！为什么？大家自己想想。