传统的微电子架构目前用于为从高级计算机到日常设备的所有设备提供动力。然而，科学家们一直在寻找更好的技术。最近，洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家及其来自门洛系统公司和桑迪亚国家实验室的合作者在原子薄层石墨烯上设计并制造了不对称的纳米级金结构。这种金结构被称为“纳米天线”，基于它们捕获和聚焦光波的方式，形成激发石墨烯内电子的光学“热点”。只有非常靠近热点的石墨烯电子被激发，而石墨烯的其余部分则保持较少的激发状态。
由石墨烯上对称破缺的金纳米天线组成的光电超表面的插图。图片来自自然
该团队采用了泪滴形状的金纳米天线，其中反演对称性的破坏定义了沿结构的方向性。热点仅位于纳米天线的尖端，导致受激热电子以净方向性流动的路径——通过激发热点的不同组合，在纳米尺度上可控和可调的充电电流。
“大多数现代技术，从计算机到能量收集等应用，都是建立在推动电子的能力之上的，”洛斯阿拉莫斯集成纳米技术中心 (CINT) 的物理学家雅各布·佩廷 (Jacob Pettine) 说。 “但是我们控制电荷流的方式仍然受到传统材料和结构的很大限制。”
CINT 负责这项研究的科学家 Hou-Tong Chen 表示：“这些超表面提供了一种简单的方法来控制热点和纳米级充电电流的幅度、位置和方向，响应速度快于皮秒。” “然后你可以考虑更详细的功能。”
这些光电超表面的概念演示具有许多有前景的应用。产生的充电电流可以自然地用作光电检测信号，这在长波长红外区域尤其重要。该系统可以作为太赫兹辐射源，可用于从超高速无线通信到材料光谱表征的一系列应用。该系统还可以为控制纳米磁性提供新的机会，其中可以为适应性强的纳米级磁场设计专门的电流。
新功能也可能对超快信息处理（包括计算和微电子）很重要。将激光脉冲和超表面用于自适应电路的能力可以允许调度速度较慢且通用性较差的基于晶体管的计算机和电子架构。与传统电路不同，自适应结构光场可以提供全新的设计可能性。
“这些结果为纳米级电流的多功能图案化和光学控制奠定了基础，”佩廷说。 “除了在实验室中的有价值的应用之外，矢量超表面可能会促进许多不同技术领域的进步。”
Pettine, J., Padmanabhan, P., Shi, T. et al. Light-driven nanoscale vectorial currents. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07037-4
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