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現代高速網際網路使用光，透過光纖電纜快速可靠地傳輸大量數據，但目前，當需要數據處理時，光訊號會遇到瓶頸。因為它們必須先轉換成電訊號進行處理，然後才能進一步傳輸。
一種稱為「全光學開關」的設備可以改用光來控制其他光訊號，而無需進行電訊號轉換，進而節省光纖通訊的時間和能量。
由密西根大學領導的一個研究小組，透過使圓偏振光（像螺旋一樣扭曲的光）脈衝通過覆蓋有超薄半導體的光學腔，展示了一種超快全光學開關。該研究最近發表在《自然通訊》上。
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該設備可以用作標準的光學開關使用，透過開啟或關閉控制雷射來切換相同偏振的訊號光束，或者用作一種稱為「邏輯算符互斥或」（XOR）開關的邏輯閘使用，當一個光輸入順時針扭轉而另一個逆時針時會產生輸出信號，但當兩個輸入相同時則不會產生輸出訊號。
「由於開關是任何訊息處理單元最基本的構建模組，因此全光學開關是邁向全光學運算或構建光學神經網路的第一步，」密西根大學物理學博士生、該研究的主要作者周凌霄說。
光學運算的低損耗使其比電子運算更具吸引力。
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「極低的功耗是光學運算成功的關鍵。我們團隊所做的工作正好解決了這個問題，使用不尋常的二維材料以非常低的每位元能量切換數據，」密西根大學電氣工程彼得·A·佛蘭肯（ Peter A. Franken ）傑出大學教授、該研究的共同作者史蒂芬·佛雷斯特（ Stephen Forrest）說。
為實現這一目標，研究人員以規律的間隔，透過一個光學腔（一組將光來回多次捕獲和反射的鏡子）發射螺旋雷射脈衝，將雷射強度提高了兩個數量級。
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當將一層分子厚度的半導體二硒化鎢（WSe2）嵌入光學腔中時，強烈的振蕩光會擴大半導體中可用電子的能帶──這是一種被稱為光學斯塔克效應的非線性光學效應。這意味著當電子躍遷到更高的軌道時，它會吸收更多的能量，而當它跳下來時，它會釋放更多的能量，稱為藍移。這反過來又會改變訊號光的能量密度，即每單位面積傳遞或反射的能量。
除了調製訊號光之外，光學斯塔克效應還產生了一個偽磁場，它對電子能帶的影響類似於磁場。它的有效強度為 210 特斯拉，遠強於地球上最強的磁鐵（強度為 100 特斯拉）。這種巨大的力只能被自旋與光的螺旋度對齊的電子感受到，它會暫時分裂不同自旋方向的電子能帶，使對齊能帶中的電子都沿相同的方向運動。
該團隊可以透過改變光的扭曲方向來改變不同自旋的電子能帶的排列順序。
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不同能帶中電子短暫的均勻自旋方向性也打破了所謂的時間反演對稱性。從本質上講，時間反演對稱性意味著一個過程背後的物理原理向前和向後都是相同的，這意味著能量守恆。
雖然由於能量透過摩擦力等力的耗散方式，我們通常無法在宏觀世界中觀察到這一點，但如果你能拍攝電子自旋的影片，無論你是正向還是反向播放，它都遵循物理定律──一個方向自旋的電子會變成相反方向自旋的電子，具有相同的能量。但在偽磁場中，時間反演對稱性被打破，因為如果倒轉，相反方向自旋的電子具有不同的能量——而不同自旋的能量可以透過雷射控制。
「我們的結果為許多新的可能性開闢了道路，無論是在基礎科學領域，其中控制時間反演對稱性是創造奇異物質狀態的必要條件，還是在技術領域，其中利用如此巨大的磁場成為可能，」該研究的通訊作者、密西根大學物理和電機與計算機工程教授鄧輝說。
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