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。 ! U# v: ^$ W; z' c) t
- `- r& ^9 V! F2 Q( ~( \ “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。” + S" Q' L$ F' C7 ?* N
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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。
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' I7 l7 j+ p3 i0 _( i 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)。 5 [* u# D; |5 ~0 @ ^+ f
5 T$ X6 I' d* H) i4 e 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)。 # n2 @" `8 j# J: n$ V' n/ }
( q5 d0 l2 a' u+ R 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。 4 t5 w0 ~ v& C; ?% m6 \) u2 N
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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。“ * z* f% @% n0 O) m6 ]2 `" f
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$ q# q8 C, W+ R! r: m7 S! i 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。 5 l; G! _' E+ @
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“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”。 & U( z/ m- U7 r% Y
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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。
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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。 # L& |$ f7 b/ n* k
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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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! |& O: G- p* Z( T2 Y “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。” + @& t7 o c' Z: U
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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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“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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+ D$ s. K& m H& ~( I3 U “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。”
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- F" Q) ^& O6 R, l8 y2 M) B 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)。 |