当今的计算机在速度方面已达到物理极限。半导体元件通常以几千兆赫的最大可用频率运行，这相当于每秒数十亿次计算操作。因此，现代系统依靠多个芯片来划分计算任务，因为单个芯片的速度无法进一步提高。但是，如果在计算机芯片中使用光（光子）代替电（电子），则速度可以提高1000倍。
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等离子体谐振器，也称为“光天线”，是实现这一速度飞跃的一种有前途的方法。这些是纳米级的金属结构，光和电子在其中相互作用。根据它们的几何形状，它们可以与不同的光频率相互作用。
“挑战在于等离子体谐振器还不能像传统电子产品中的晶体管那样被有效调制。这阻碍了快速光开关的发展，”德国巴伐利亚州维尔茨堡尤利乌斯·马克西米利安大学（Julius-Maximilians-Universität，JMU）物理学家Thorsten Feichtner博士表示。
带电光学天线：维尔茨堡大学开辟新天地
据外媒报道，JMU研究团队与位于奥登塞的南丹麦大学（SDU）合作，在光天线调制方面取得了重大进展：成功实现了电控调制，为超快有源等离子体以及速度更快的计算机芯片指明了方向。该实验已发表于期刊《Science Advances》。
该团队没有试图改变整个谐振器，而是专注于改变其表面特性。这一突破是通过电接触单个谐振器（由金制成的纳米棒）实现的 - 这个想法在概念上很简单，但只能借助基于氦离子束和金纳米晶体的复杂纳米制造技术才能实现。这种独特的制造方法是在Bert Hecht教授的指导下由JMU实验物理学（生物物理学）系建立的。使用锁定放大器的复杂测量技术对于检测谐振器表面微小但重要的影响至关重要。
研究负责人Thorsten Feichtner博士解释说：“我们利用的效应与法拉第笼的原理类似。就像被雷击中的汽车中的电子聚集在外部，车内的乘客是安全的一样，表面上的额外电子会影响谐振器的光学特性。”
令人惊讶的量子效应
到目前为止，光学天线几乎总是可以用经典的方式描述：金属电子只是停留在纳米颗粒的边缘，就像海港墙上的水一样。然而，维尔茨堡科学家进行的测量揭示了共振的变化，这种变化已无法用经典术语来解释：电子“涂抹”在金属和空气之间的边界上，产生柔和、渐进的过渡，类似于沙滩与大海相遇。
为了解释这些量子效应，南丹麦大学奥登斯分校（SDU Odense）的理论家开发了一个半经典模型。它将量子特性纳入表面参数，以便使用经典方法进行计算。“通过扰动表面的响应函数，我们将经典效应和量子效应结合起来，创建了一个统一的框架，从而增进了我们对表面效应的理解，”这项研究的第一作者、JMU物理学家Luka Zurak解释说。
潜力巨大的新研究领域
新模型可以重现实验，但目前尚不清楚金属表面究竟涉及哪些量子效应。“但通过这项研究，现在首次可以专门设计新天线并排除或放大单个量子效应，”Thorsten Feichtner表示。
从长远来看，研究人员设想了更多的应用：更小的谐振器有望实现高效率的光调制器，可用于技术。此外，还可以利用所提出的系统研究表面电子在催化过程中的影响。这将为能源转换和储能技术提供新的见解。
