研究人员利用宽带超快光谱技术研究了Ta2NiSe5的非平衡动力学，证实其在近红外范围内的瞬态反射率，与系统的低能量物理特性有关。
速度问题和能耗问题，已经成为未来计算机发展的巨大障碍。当地时间3月16日，英国剑桥大学卡文迪许实验室（CLUC）的研究人员在《自然通讯》杂志发文称，他们发现了一种可以协助解决速度、能耗问题的材料。
用光替代电进行计算，有望超越当今计算机的极限。其中，光开关能够轻松完成按需反射或传输光过程。虽然光计算研究发展迅速，但在光开关方面仍然缺乏重大突破。
研究人员在最新研究中阐述的新材料Ta2NiSe5在受到短激光脉冲轰击时，能在千万亿分之一秒内完成“窗户-镜面”切换。这为未来计算机的超快切换奠定了基础。
Ta2NiSe5看起来很像一大块铅笔芯，在室温下表现出绝缘特性——当红外光照射到绝缘态的材料时，它会像一扇窗户一样，让光直接穿过。而当受热时，这种材料会变为金属态，像镜面一样反射光线。
“Ta2NiSe5在被加热时，可以在‘窗户’和‘镜面’之间切换，但加热物体是一个非常缓慢的过程。”研究负责人Akshay Rao博士说，“我们的实验表明，短激光脉冲可以在10~15秒内触发‘转换’效果，其速度比现在使用的计算机开关快上百万倍。”
研究人员希望通过研究材料行为，证明新物相“激子绝缘体”的存在性。自20世纪60年代，相关理论建立以来，这种物质的实验研究一直颇具挑战性。
Rao博士说：“从很多方面来看，这种激子绝缘相与普通绝缘体高度相似，但两者的金属化转变速率存在显著差异。对普通绝缘体而言，从绝缘体变成金属就像冰块融化，原子移动位置并重新排列，这是一个非常缓慢的过程。而对激子绝缘体而言，金属化转变可能发生得非常迅速，因为原子不需要通过移动来切换相态。如果我们能够找到一种测量转变速度的方法，就有可能揭开激子绝缘体的神秘面纱。”
为此，研究人员用一系列短激光脉冲扰动材料，并测定其反射变化情况。他们发现，在室温下，当强激光脉冲集中Ta2NiSe5时，它立刻显示出金属状态特征，在时间尺度上切换为“镜面”。这为证实Ta2NiSe5的激子绝缘特性提供了有力证据。
论文作者Hope Bretscher表示：“这项工作不仅清除了遮蔽材料的迷雾，为其不寻常的量子力学行为开辟了新视角，还突出了新材料作为超快开关的潜质。事实上，为了使光开关具备有效性，它不仅必须能够快速地从绝缘相过渡到金属相，还需要具有足够迅速的逆向过程速率。实验结果显示，Ta2NiSe5恢复绝缘态的速率，比其他候选材料快得多。这种迅捷的镜面-窗户-镜面切换能力，对于计算应用来说意义非凡。”
Rao博士补充道：“虽然现在还无法用Ta2NiSe5生产量子开关，但我们已经找到了一种应对超快计算和能耗问题的新方案。”
原创编译：德克斯特 审稿：西莫 责编：陈之涵
期刊来源：《自然通讯》
期刊编号：2041-1723
原文链接：https://phys.org/news/2021-03-window-mirror-material-paves-faster.html
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