一種使用二硒化鎢的新型半導體裝置在改變光的特性以更有效率地處理資訊方面展示了前所未有的能力。這項技術有望透過直接在光纖中處理訊號而無需將其轉換為電訊號來增強電信功能，從而加快資料傳輸並降低能耗。

雷射能在由三個原子薄層（紅色和綠色金屬球片）組成的裝置中產生結合在一起的正負電荷對（藍色和紅色大球）。 電荷對改變了雷射光束（紅色）的特性。 資料來源：馬裡蘭大學，編輯

半導體技術中的激子

當光線照射到半導體上時，會激發電子進入更高的能量狀態。 這就留下了一個不存在的電子，相當於一個帶正電的空間，稱為”空穴”。 電子和電洞透過靜電力相互吸引，形成一對結合的電荷，稱為激子。

激子可以與其他未配對的電荷相互作用。 這種相互作用改變了光束在材料中傳播時移動材料正負電荷的典型方式。 這種反應被稱為非線性，它可以使光束改變形狀、方向和/或頻率。 透過這種變化可以對資訊進行光學處理。

研究人員現已證明，在由三層原子層半導體二硒化鎢（WSe2）製成的二維設備中，非線性光學響應的強度是前所未有的。 研究人員也證明，巨大的非線性響應是可以調整的。

用光學處理技術徹底改變電信業

目前，所有長距離互聯網通訊都由光纖管理。 然而，在資料訊號轉換光纖到達目的地的任何地方，訊號都要從光轉換成電。 這樣做是為了對訊號進行處理和路由。 電子處理需要額外的功率，會產生熱量並帶來延遲。

本研究介紹了一種突破性的替代系統，在該系統中，只有少量光子可以處理資訊。 這可以提高電信和運算平台的速度和能源效率。 此外，高效能和可調諧光子還可用於安全的量子通信，從而為抵禦網路攻擊提供強有力的保護。

非線性光學在資料傳輸中的作用

資訊的光學傳輸只能在具有非線性光學響應特性的材料中實現。 這是因為非線性光學能夠透過改變光束的形狀、方向和頻率來處理光束所攜帶的訊息。 像WSe2 這樣的二維材料之所以備受關注，是因為它們的尺寸縮小會產生強烈的靜電相互作用，從而形成緊密結合的激子。 由於激子之間的連接如此緊密，因此它們在室溫下非常穩定，可實現無需冷卻的設備。

二維材料研究的突破性進展

在這項研究中，科學家利用了由三層原子級薄的WSe2 所構成的裝置中激子的行為。 他們展示了巨大的非線性光學響應，其效率前所未有，只需使用數十到幾百個光子。 研究團隊發現，只有在施加電壓偏壓，使材料靜電摻雜自由電荷時，才能觀察到光學非線性。 此外，還可以透過改變電壓隨時調整響應。 為了製造這種裝置，研究人員使用了位於布魯克海文國家實驗室的功能性奈米材料中心的量子材料壓機（QPress），該中心是能源部科學辦公室的用戶設施。 QPress 是一種自動化系統，可以精確堆疊薄至單一原子的二維量子材料。

編譯自/ SciTechDaily