基于二硒化钨的新型半导体器件改变光的特性以更高效地处理信息

激光能在由三个原子薄层（红色和绿色金属球片）组成的装置中产生结合在一起的正负电荷对（蓝色和红色大球）。 电荷对改变了激光束（红色）的特性。 资料来源：马里兰大学，编辑

半导体技术中的激子

当光线照射到半导体上时，会激发电子进入更高的能量状态。 这就留下了一个不存在的电子，相当于一个带正电的空间，称为"空穴"。 电子和空穴通过静电力相互吸引，形成一对结合的电荷，称为激子。

激子可以与其他未配对的电荷相互作用。 这种相互作用改变了光束在材料中传播时移动材料正负电荷的典型方式。 这种反应被称为非线性，它可以使光束改变形状、方向和/或频率。 通过这种变化可以对信息进行光学处理。

研究人员现已证明，在由三层原子层半导体二硒化钨（WSe2）制成的二维设备中，非线性光学响应的强度是前所未有的。 研究人员还证明，巨大的非线性响应是可以调整的。

用光学处理技术彻底改变电信业

目前，所有长距离互联网通信都由光纤管理。 然而，在数据信号转换光纤到达目的地的任何地方，信号都要从光转换成电。 这样做是为了对信号进行处理和路由。 电子处理需要额外的功率，会产生热量并带来延迟。

本研究介绍了一种突破性的替代系统，在该系统中，只有少量光子可以处理信息。 这可以提高电信和计算平台的速度和能效。 此外，高效和可调谐光子还可用于安全的量子通信，从而为抵御网络攻击提供强有力的保护。

非线性光学在数据传输中的作用

信息的光学传输只能在具有非线性光学响应特性的材料中实现。 这是因为非线性光学能够通过改变光束的形状、方向和频率来处理光束所携带的信息。 像 WSe2 这样的二维材料之所以备受关注，是因为它们的尺寸缩小会产生强烈的静电相互作用，从而形成紧密结合的激子。 由于激子之间的连接如此紧密，因此它们在室温下非常稳定，可实现无需冷却的设备。

二维材料研究的突破性进展

在这项研究中，科学家们利用了由三层原子级薄的 WSe2 构成的器件中激子的行为。 他们展示了巨大的非线性光学响应，其效率前所未有，只需使用几十到几百个光子。 研究小组发现，只有在施加电压偏置，使材料静电掺杂自由电荷时，才能观察到光学非线性。 此外，还可以通过改变电压随时调整响应。 为了制造这种装置，研究人员使用了位于布鲁克海文国家实验室的功能纳米材料中心的量子材料压机（QPress），该中心是能源部科学办公室的用户设施。 QPress 是一种自动化系统，可以精确堆叠薄至单个原子的二维量子材料。

编译自/SciTechDaily