請遺忘為光運算而試圖將雷射整合到矽晶片的想法，并替電信發射紅外線訊號改用奈米修補電漿天線(Nanopatch Plasmonic Antenna，NPA)，現在速度高達90GHz的NPA，也許明天就可以達到Terahertz(THz)。

　　“我們希望可以加快發射速率，以建立一個超快且超高亮度的發光二極體(LED)。”杜克大學(Duke University)助理教授Maiken Mikkelsen說，這將涉及使用導電材料來產生電流到量子點(Quantum Dot，QD)，以從相同的電漿架構創造更強的發射。“裝置有可能在非常低的功率位準下運作—在很少的阿焦耳(Attojoules，AJ)(編按：AJ是一種能源的計算單位，1AJ等于6.241506363 伏特)—這是未來轉換訊息處理和通訊的關鍵，不過目前受限于散熱問題。”Mikkelsen表示。

　　整個半導體產業一直試圖進行從電子到光子的轉換，以作為矽晶片上的計算訊號介質，除了射極之外，每一種矽光子元件都已被驗證。不幸的是，雷射—標準的通訊射極—與矽不相容，雖然有上千種方法正被研究中，以解決這個問題。現在杜克大學電子工程師說，忘了雷射，并使用他們的NPA耦合到量子點以在晶片上連結到90GHz和更高頻率，或在他們之間以超過50%的輻射量子效率。

　　圖片顯示一個NPA(銀色方塊)，在其上方有個金屬基板(金色)用以分離一個聚合物(未標示)與膠體量子點(QD，紅色)。

　　杜克大學Maiken Mikkelsen的團隊在“采用電將奈米天線的超快自發輻射源(Ultrafast spontaneous emission source using plasmonic nano-antennas)”一文提到，傳統射極如分子、量子點和半導體量子井(Well)有1~10奈秒(ns)壽命的緩慢自發輻射，創造一個和高速奈米光電元件的不匹配，就如LED、單光子源和雷射。在這里，我們透過實驗證明一個超快(小于11皮秒)的自發輻射有效來源，其相應的發射率超過90GHz。

　　為了實現他們的高速交換率，研究人員利用電漿(在一個波形上共振的表面自由電子)作為奈米天線，該天線由一個銀奈米立方體耦合到一個金屬薄膜(20個原子的薄度)組成，并利用薄型聚合物隔離層和量子點膠體核心外殼以隔離基板。這種結構增加了自發輻射率，自發輻射率提高880倍時，可增強的螢光強度；提升到2,300倍時，可保持高效率。

　　博士后研究生Gleb Akselrod(左)和Thang Hoang(右)在Maiken Mikkelsen(中)的實驗室，檢查他們的NPA耦合到量子點的情況。

　　“我們已經從一個由電漿奈米天線耦合到膠體量子點的混和系統，證明發射速度超過11皮秒的超快自發輻射源。”Mikkelsen和同事在他們的研究報告中說。

　　一個額外的好處是，透過控制奈米立方體的尺寸和絕緣電介質的間隙厚度，輻射頻率可以調諧到現今所使用的電信頻率。加上NPA耦合到他們的量子點并運作時，所需的電力比雷射還要低，并允許光晶片可在更低的溫度運作，從而使行動裝置有更長的電池續航力。

　　NPA(藍色)和量子點(紅色)耦合的穿透式電子顯微鏡(TEM)影像。

　　未來。研究人員希望光學地與電氣地激發電漿奈米天線，便讓這兩種方式可以進一步解決最后障礙，以在傳統電子裝置中整合光子學。研究小組還希望能夠更精準地放置量子點，以便促使螢光率能更接近THz的范圍。

　　本研究的資金是由空軍辦公室的科學研究青年基金計劃(Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program，AFSOR YIP)、AFSOR、橡樹嶺聯合大學(Oak Ridge Associated University，ORAU)的Ralph E. Powe青年學院提升獎(Junior Faculty Enhancement Award)、北加州貴族基金會(Lord Foundation of North Carolina)，以及情報界博士后研究獎學金計畫(Intelligence Community Postdoctoral Research Fellowship Program)共同贊助。