前沿科技之首個光子電路問世

掃街

21世紀的技術世界，有巨大的進步是在電氣工程方面，特別是能夠精致地控制流動的電荷，使用日益縮小而又復雜的電路。這些電氣進步仍然走在前面，賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）的研究人員也在推動電路進步，他們采取的是不同的方法，就是用光取代電。

! R7 _9 K( ]* G4 E# W4 X( i; V “考察上個世紀成功的電子學，我總是不明白，為什么我們要局限于使用電流制作電路，”納德 恩格海塔（Nader Engheta）說，他是賓夕法尼亞大學工程和應用科學學院電氣和系統工程系教授。如果我們轉向更短的波長，在電磁波譜中，比如采用光，我們就可以使制成的東西更小，更快，更高效。”

; l0 c9 a- Z7 U( ]2 o6 a 不同的排列和組合，使電子電路有不同的功能，范圍很大，從簡單的電燈開關到復雜的超級計算機都可以。反過來，這些電路的制備，需要以不同的方式排列電路元件，如電阻器（resistors），電感器（inductors）和電容器（capacitors），這些元件控制流動的電子，在電路中具有數學上精確的方式。電路和光學都遵循麥克斯韋方程（Maxwell's equations），這一基本公式描述電磁場的性能， 因此，恩格海塔設想用光制作電路，就不只想象的東西。 2005年，他和他的學生發表了一篇理論文章，概述了光電路元件如何工作。

2 Q2 A' W, g( ^# I7 z 現在，他和他的小組在賓夕法尼亞大學使這個夢想成為現實，他們創造了第一個實物演示的“集總”（lumped）光電路元件。這標志著一個里程碑，屬于新興科學和工程領域，恩格海塔稱為“元子”（metatronics）。
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這項研究發表在2012年1月29日一期的《自然材料》雜志上，題為《實驗制成光學集總納米電路采用紅外波長》（Experimental realization of optical lumped nanocircuits at infrared wavelengths）。
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在電子產品中，“集總”名稱是指一些元件，可以看作一個黑盒子，這種東西把給定的輸入信號，轉變為完全可以預測的輸出信號，工程師不必擔心內部的元件究竟如何工作，每次都可以這樣設計電路。
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“光學一直就有就自己的類似元件，這些東西比如透鏡，波導和光柵，”恩格海塔說，“但它們從來沒有進行集總。這些元件都比光的波長大得多，因為可以輕松制作的就是這些，都是在過去的日子。對于電子產品而言，集總電路元件總是遠遠小于操作波長，這些都是在無線電或微波頻率范圍。“
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納米技術目前已開辟了可能性，可以集中光電路元件，制成的結構尺寸可以達到納米尺度。在這個實驗案例中，這種結構是梳狀長方形陣列的納米棒，是用硅亞硝酸鹽（silicon nitrite）制成。
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7 G9 k( R, p5 Q: o) ^( c9 h9 d: B “元”（meta）在元子（metatronics）中是指超材料，這是相對較新的研究領域，納米尺度的模式和結構內嵌于一些材料，使它們可以操縱光波，這些方法以前是不可能的。在這里，納米棒的橫截面和它們之間的間隙，形成一種模式，可復制電阻器，電感器和電容器的功能，這是三個是最基本的電路元件，但都是在光的波長。
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4 ~$ X! m8 X2 \% y& u& d6 B “如果我們有光學版本的集總元件，那么，在我們的所有組件中，我們就可以進行實際設計，類似我們在電子產品中所做的設計，但現在的操作是使用光，”恩格海塔說。“我們制作電路可以采用光”。

( B1 x: I; E7 H: o 在他們的實驗中，研究人員照亮這些納米棒，采用光信號，這種光波屬于中紅外范圍。然后，他們用光譜儀測量光波，因為光會穿過梳狀納米棒陣列。重復這一實驗，使納米棒采用9個不同組合的寬度和高度，研究人員發現，光“電流”和光“電壓”會改變，原因在于光電阻、電感和電容，它們的不同參數會對應那些變化的尺寸。

“納米棒截面的作用，相當于電感和電阻，納米棒之間的氣隙相當于電容，”恩格海塔說。

可以改變尺寸和納米棒的制作材料，此外，這些光學電路的功能也可以改變，只需要改變光的方向，就會賦予元子電路一些配置，這是傳統電子產品不可能的。
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: k6 {+ e9 t3 e2 ?" y& R$ n/ R 這是因為，光波具有偏振；電場在光波中振蕩，具有確定的空間方向。在元子電路中，是電場交互作用，被元件改變，因此，改變電場的方向，就像給電路重新布線一樣。

“這種定位賦予我們兩種不同的電路，這就是為什么我們稱之為立體電路”，恩格海塔說。 “我們甚至可以讓光波傾斜到達納米棒，這樣可以獲得某些東西，這是常規電子產品就所沒有的：這種電路既不是串聯，也不是平行，而是混合了兩者。”
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這一原則可以用于更高層次的復合狀態，只需要使制成的納米棒陣列具有三個維度。光信號到達這種結構的頂端，進入的電路會不同于到達側面的光信號。因為采用這些基本光學元件，取得了更大的成功，恩格海塔和他的小組奠定了基礎，可制作這種復雜的元子電路。

5 c# k/ }, d4 e" p1 |5 k+ u# P “另一個原因是，成功制作電子產品，必須采用模塊化，”他說。“我們可以制作無限數量的電路，這取決于我們如何排列不同的電路元件，就像我們可以把英文字母排列成不同的單詞，句子和段落。
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“我們現在正在研究一些設計，用于更復雜的光學元件，”恩格海塔說。“我們在尋求制作這些新的字母，要逐個進行。”
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2 a9 W% l2 `, g- K: e 研究資金部分來自美國空軍科研辦公室（U.S. Air Force Office of Scientific Research）。

小鼠大膽

8 N  U  q* v. J" C. B拜讀了掃街的文章，每次的前沿科技都不是中國的。美國怎么總是在科技前沿啊？中國的科技怎么最落后呢？咱們國家能追趕目前米國的技術嗎？答案是不行！為什么？大家自己想想。