隨著(zhù)對數 據的需求呈指數增長(cháng)，數據中心面臨越來(lái)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(kāi)關(guān)進(jìn)行通信，控制光的流動(dòng)，從而控制服務(wù)器之間 的信息。近日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》上的一篇論文中，美國華盛頓大學(xué)領(lǐng)導的聯(lián)合研究團隊報告了一種節能的硅基非易失性開(kāi)關(guān)設計，該開(kāi)關(guān)通過(guò)使用相變 材料和石墨烯加熱器來(lái)控制光。
硅基開(kāi)關(guān)的藝術(shù)渲染圖。該開(kāi)關(guān)通過(guò)使用相變材料（深藍色段）和石墨烯加熱器（蜂窩晶格）來(lái)控制光。
圖片來(lái)源: 《自然·納米技術(shù)》
華盛頓大學(xué)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(shù)相比，這項技術(shù)將大大降低數據中心的能源需求，使其更具可持續性和環(huán)保性。
硅光子開(kāi)關(guān)在通電時(shí)，會(huì )改變其材料的光學(xué)特性，從而改變光的路徑。然而這個(gè)過(guò)程不僅不節能，還不是永久性的：一旦斷電，材料就會(huì )恢復到以前的狀態(tài)，連接的信息流也會(huì )被破壞。
為解決這個(gè)問(wèn)題，聯(lián)合研究團隊創(chuàng )造了一種“一勞永逸”的開(kāi)關(guān)，能夠在沒(méi)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(fā)性的相變材料，這意味著(zhù)該材料通過(guò)短暫加熱而發(fā)生轉變，并保持狀態(tài)，直到它接收到另一個(gè)熱脈沖才又恢復到其原始狀態(tài)。
研究團隊此次使用的是未摻雜的220納米硅層來(lái)傳播光，并在硅和相變材料之間引入一層石墨烯來(lái)導電。這種設計通過(guò)引導石墨烯產(chǎn)生的熱量來(lái)改變相變材料，從而消除了能量浪費。
事實(shí)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(jìn)的廣泛使用的摻雜硅加熱器相比，僅為其1/70。這也在開(kāi)關(guān)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(huì )引起一些光損失，這意味著(zhù)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(tài)超過(guò)1000次循環(huán)，這是一項極其顯著(zhù)的改進(jìn)。
研究人員表示，僅用一個(gè)原子級薄的加熱器就能調整材料的光學(xué)特性，改變了游戲規則，新系統將有助于推動(dòng)信息技術(shù)和量子計算的發(fā)展。