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科技日報記者 張夢然
隨著對數據的需求呈指數增長，數據中心面臨越來越大的壓力，要求其提高能效。降低能耗的一種方法是使用光與電控光開關進行通信，控制光的流動，從而控制服務器之間的信息。近日在線發表于《自然·納米技術》上的一篇論文中，美國華盛頓大學領導的聯合研究團隊報告了一種節能的硅基非易失性開關設計，該開關通過使用相變材料和石墨烯加熱器來控制光。
硅基開關的藝術渲染圖。該開關通過使用相變材料（深藍色段）和石墨烯加熱器（蜂窩晶格）來控制光。圖片來源: 《自然·納米技術》
華盛頓大學研究人員表示，新平臺突破了能源效率的極限。與目前數據中心用于控制光子電路的技術相比，這項技術將大大降低數據中心的能源需求，使其更具可持續性和環保性。
硅光子開關在通電時，會改變其材料的光學特性，從而改變光的路徑。然而這個過程不僅不節能，還不是永久性的：一旦斷電，材料就會恢復到以前的狀態，連接的信息流也會被破壞。
為解決這個問題，聯合研究團隊創造了一種“一勞永逸”的開關，能夠在沒有任何額外能量的情況下保持連接。他們使用了一種非揮發性的相變材料，這意味著該材料通過短暫加熱而發生轉變，并保持狀態，直到它接收到另一個熱脈沖才又恢復到其原始狀態。
研究團隊此次使用的是未摻雜的220納米硅層來傳播光，并在硅和相變材料之間引入一層石墨烯來導電。這種設計通過引導石墨烯產生的熱量來改變相變材料，從而消除了能量浪費。
事實上，這種裝置的轉換能量密度（轉換能量除以被轉換材料的體積）僅為8.7阿托焦耳/立方納米，與當前最先進的廣泛使用的摻雜硅加熱器相比，僅為其1/70。這也在開關能量密度的基本極限（1.2阿托焦耳/立方納米）的數量級之內。
盡管使用石墨烯導電會引起一些光損失，這意味著一些光被吸收，但石墨烯非常薄，不僅損失最小，而且相變材料仍可與在硅層中傳播的光相互作用。研究團隊確定，基于石墨烯的加熱器能可靠地切換相變材料的狀態超過1000次循環，這是一項極其顯著的改進。
研究人員表示，僅用一個原子級薄的加熱器就能調整材料的光學特性，改變了游戲規則，新系統將有助于推動信息技術和量子計算的發展。
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