告别电子时代？全球首款“光信号”芯片在澳洲诞生，室温就能工作

在追求更高速、更低功耗计算能力的道路上，科学家一直希望用光来替代电完成信息传输与处理。原因并不复杂：光传播速度远高于电子迁移速度，同时几乎不会带来明显发热。设想很理想，但现实挑战也非常大——要把光信号的产生、调控与读取全部集成到一枚指甲盖大小的芯片中，长期以来都被视为极难实现的目标。

不过，这一技术瓶颈最近被澳大利亚莫纳什大学研究团队成功突破。他们研发出一种纳米级微型芯片，首次在单一器件中同时实现了光信号的“生成”“控制”和“读取”。这相当于在一块芯片上建成了一座微型光子工厂，而且关键流程都能在同一个平台内完成。

这项突破，建立在一个前沿研究方向之上——“谷电子学”。简单来说，它是利用部分先进材料内部特殊的量子属性，也就是所谓的“谷自由度”，来存储与编码信息。学术界早已确认这一原理具备可行性，但此前最大的难点在于：怎样把信号生成、方向调控以及光电转换等关键功能，全部整合进一个紧凑、可用的芯片平台中。

由李驰（Chi Li）博士、邢凯健（Kaijian Xing）博士和任浩然（Haoran Ren）博士等人组成的团队，这次给出了有力答案。他们构建的纳米电路，不仅能够在同一枚芯片上产生特定波长的光信号，还能精准控制其传播方向，最终再通过电流完成信号读取。从光子到电子，整套信息处理链路实现了完整闭环。

而真正推动这项成果迈向实用化的关键，在于芯片制造工艺本身。研究人员创新性地将仅有数个原子厚度的超薄材料，与被称为“超表面”的工程化纳米结构结合起来。所谓超表面，通俗理解就是在远小于头发丝直径的尺度上，像搭建精密积木一样设计出整片光学结构，以实现对光线的高精度操控。为了避免破坏极其脆弱的超薄材料，团队没有采用常见的生长工艺，而是改用全新的“层压堆栈”方法——类似制作三明治那样，将不同材料层谨慎压合在一起。正是这一巧妙工艺，使完整的芯片级光子系统成为现实。

与传统电子芯片依靠电子在电路中传输数据不同，光子芯片利用光来承载和处理信息，因此天然具备更低发热和更高速度两大优势。尤其是“低发热”这一点，对于当前功耗持续攀升的数据中心、人工智能计算平台以及高性能服务器而言，意义尤为突出。

更值得关注的是，这套系统居然能够在室温条件下稳定运行。要知道，许多量子技术演示通常依赖体积庞大且成本高昂的液氮设备或激光制冷系统，只能在极低温环境中工作。而莫纳什大学团队的这款芯片则摆脱了这一限制——室温运行意味着它距离真正商业化、工程化应用又前进了一大步。再加上极高的微型化程度，这款光信号芯片看起来已经不只是实验室样机，更像是未来可直接用于手机、服务器或通信设备中的标准器件。

为了验证这枚芯片的实际性能，研究人员在实验中专门让它同时处理两幅彼此独立的图像。结果显示，它能够轻松完成多个信息流的并行编码与管理。这种并行处理能力，正是未来超高速通信、下一代光通信系统和高带宽信息处理的重要基础。

莫纳什大学物理与天文学院及纳米光子学实验室主任斯特凡·A·迈尔（Stefan A. Maier）教授对此给予了高度评价：“这项工作将光与量子材料在芯片上成功融合，开辟了信息编码和处理的新路径。这是把谷电子学从理论推向实际应用的关键一步。” 研究团队也表示，这项成果在量子计算、先进成像、光子芯片以及下一代光学通信系统等方向上，都展现出广阔的发展前景。

相关研究已于2026年5月25日在线发表在顶级学术期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）上。