光能夠以驚人的速度傳輸大量資訊，這也是為何光子技術正被用於開發更快的通訊、更強大的運算和高靈敏度的感測器。
然而，為了讓這些系統正常運作，研究人員需要精確且極快速地控制光的方向。
加州理工學院的研究人員現已開發出一種裝置，能利用一束光在僅僅 74 飛秒（74 億分之一秒）的時間內引導另一束光。
這大約是光穿過人類頭髮寬度所需的時間。
「用光來引導光是非常困難的，因為光與物質的交互作用通常非常微弱。利用光學超表面（超薄、經過精密奈米工程設計的薄片），我們可以增強交互作用強度，從而更有效地實現這一點，」加州理工學院應用物理學與材料科學的霍華德休斯講座教授兼工程與應用科學部主任 Harry Atwater 表示。
研究人員已在《自然奈米技術》期刊上發表了他們的發現。該研究的主要作者 Claudio Hail 在加州理工學院 Atwater 實驗室擔任博士後研究員期間進行了這項研究。他現已成為加州大學柏克萊分校機械工程系的助理教授。
為何傳統光束轉向有速度限制
許多現有的光束轉向或調變技術依賴於改變材料的電子特性。例如，投影機使用的液晶面板和電信系統中的光學晶片。
在這些裝置中，電子會被推入更高的能量狀態，然後再返回較低的狀態並釋放多餘的能量。這個弛豫過程需要時間，造成瓶頸，通常將光調變限制在奈秒或皮秒（萬億分之一秒）的時間尺度。
Atwater 的團隊採取了不同的方法，消除了對電氣訊號的需求。取而代之的是，研究人員使用一束強大的光，稱為泵浦光，並以精心設計的圖案暫時改變材料的光學行為。
接著，第二束較弱的光，稱為探測光，穿過該材料。其方向根據泵浦光束產生的圖案而改變。
該系統依賴於一種稱為光學克爾效應的現象。當強烈的光束穿過材料時，它可以在短時間內對材料的折射率產生微小的改變，折射率描述了光在穿過材料時減慢和彎曲的程度。
這種效應來自電子在其軌域內的運動變化，軌域是原子核周圍電子有很高機率存在的區域。關鍵在於，電子不會被推入獨立的、持續時間更長的激發態。
因此，這種變化幾乎可以與光脈衝本身一樣快速地出現和消失。無需等待激發的電子回落到較低的能量水平。
然而，光學克爾效應本身太微弱，無法將光束引導到對實際裝置有用的程度。
奈米級矽柱增強了效應
為了增強響應，研究人員使用了一層薄薄的非晶矽薄膜創建了一個超表面。該表面覆蓋著奈米級的柱子，每個柱子都比泵浦光的波長還要小。
透過仔細選擇這些柱子的大小和間距，團隊使光在超表面內停留的時間稍長，並在其中循環，而不是直接穿過。
這種額外的交互作用時間增強了矽中微小的折射率變化。產生的效應變得足夠強大，可以引導探測光束。
利用這種設計，研究人員在短短 74 飛秒內將光束引導了高達 13 度的角度。他們還表明，調變速度受泵浦脈衝持續時間（也是 74 飛秒）的限制。
可能實現更快的控光速度
研究人員表示，目前的極速限制來自於操作系統所使用的雷射脈衝，而不是超材料本身的根本特性。
這為進一步加快處理速度的可能性敞開了大門。透過進一步開發，該技術可以達到與新興光子概念相關的時間尺度，包括時間晶體和合成時變光學材料。
該論文題為「超快、可重構的全光束轉向和空間光調變」。除了 Hail 和 Atwater 之外，Lior Michaeli 也是該論文的作者之一。他在加州理工學院擔任博士後研究員期間完成了這項工作，現已成為特拉維夫大學電機與電腦工程系的助理教授。
此項研究得到了美國空軍科學研究局及其跨學科大學研究計畫「元成像」計畫、瑞士國家科學基金會、富布賴特獎學金計畫和突破基金會的資助。加州理工學院的 Kavli 奈米科學研究所為此項工作提供了基礎設施和支援。