首个常温工作的拍赫兹级光晶体管问世

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物理学与光学科学副教授 Mohammed Hassan（右）和光学与物理学研究生 Mohamed Sennary 手持用于开发拍赫兹级晶体管的商用晶体管。（图片：研究人员提供）

如果超快光脉冲能让计算机运行速度比当今最佳处理器快百万倍，会怎样？包括亚利桑那大学研究人员在内的科学家团队正致力于实现这一目标。

在一项开创性的国际合作中，理学院物理系和 James C. Wyant 光学科学学院的研究人员展示了利用持续时间不足万亿分之一秒的光脉冲操控石墨烯中电子的方法。通过利用隧穿这一量子效应，他们记录到电子近乎瞬间穿越物理势垒，这一壮举重新定义了计算机处理能力的潜在极限。

发表于《Nature Communications》的研究指出，该技术可将处理速度推向拍赫兹量级——比现代芯片快 1000 多倍。

“以这种速度传输数据将彻底改变我们所知的计算，”物理学与光学科学副教授 Mohammed Hassan 表示。Hassan 长期致力于光基计算机技术，曾主导开发世界最快电子显微镜。

“我们在人工智能软件等技术上经历了巨大飞跃，但硬件发展速度跟不上，”Hassan 说，“借助量子计算机的发现，我们能开发出与当前信息技术软件革命相匹配的硬件。超快计算机将极大助力太空研究、化学、医疗等领域的发现。”

Hassan 与亚利桑那大学同事 Nikolay Golubev（物理学助理教授）、Mohamed Sennary（光学与物理学研究生）、Jalil Shah（物理学博士后）、Mingrui Yuan（光学研究生）合作，并邀请加州理工学院喷气推进实验室和德国慕尼黑路德维希·马克西米利安大学的同事参与。

团队最初研究改性石墨烯样品的电导率。激光照射石墨烯时，激光能量激发材料中的电子，使其移动形成电流。

有时这些电流相互抵消。Hassan 解释，因激光能量波上下振荡，在石墨烯两侧产生大小相等、方向相反的电流。由于石墨烯对称的原子结构，这些电流相互镜像抵消，无可检测电流。

但如果单个电子能穿过石墨烯，且其旅程可被实时捕捉追踪？这种近乎瞬间的“隧穿”效应是团队改性不同石墨烯样本后的意外发现。

“这正是我最热爱科学的地方：真正的发现源于意料之外的事物，”Hassan 说，“进入实验室总预期会发生什么——但科学之美在于那些引导你深入探究的小事。一旦意识到实现了隧穿效应，我们就必须弄清更多。”

使用经过改性引入特殊硅层的商用石墨烯光晶体管，研究人员利用以 638 阿秒速率开关的激光，创造了 Hassan 所谓的“世界最快拍赫兹量子晶体管”。

晶体管是控制两点间电流流动的电子开关或放大器，是现代电子学发展的基础。

“参考一下，一阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一，”Hassan 说，“这意味着该成就代表超快计算机技术发展的巨大飞跃，实现了拍赫兹级晶体管。”

虽然一些科学进步需在严苛条件（温度、压力）下进行，但这款新晶体管在常温常压下工作——为商业化和日常电子应用铺平道路。

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