用光电改善世界

如果你放大到足够接近你用来阅读这篇文章的电脑、平板电脑或手机的内部机制;你会发现水晶。不是闪闪发光的钻石和祖母绿，而是微小的硅晶体——硅原子排列成紧密、可预测的网格，可以在半导体内存储和处理信息。

“即使不是晶体的材料，如果你将它们切成足够小的碎片，你也可能会在其中发现微米或纳米晶体，”材料科学与工程副教授姚杰说。“晶体非常普遍，因此了解它们是一个非常丰富的领域。”

Yao是2022年Heising-Simons教员，他的使命不仅是了解当今技术背后的晶体，而且还开发以不同寻常的方式与光和电相互作用的新型晶体结构。在他的最新项目中：可以同时传输两种波长的光的晶体，以及可以将可见光转换为红外线或紫外线的晶体，反之亦然。

正如半导体在上个世纪彻底改变了电子设备的生产一样，姚认为这些晶体有可能在未来几年彻底改变光通信、天体物理学和量子计算。

改变社会的愿望

20世纪90年代中期，姚在中国留学，开始了在南京大学的本科教育。与此同时，全球信息技术正经历着变革和发展的时代。对于姚明来说，个人电脑和全球互联网的出现将他与更广泛的全球科学界联系起来，激励他跨越太平洋到伯克利读研究生，并教会他基础技术如何影响人们的生活。

“我在这个信息技术飞速发展的时代长大，”姚说。“这些技术极大地改善了我的生活，这让我想为这个领域做出自己的贡献，这样我们的生活就可以在这个意义上继续得到改善。”

在伯克利，然后在斯坦福大学进行博士后研究期间，姚明学习了材料科学与工程。他对晶体结构了解得越多，就越开始相信新晶体可以实现他梦寐以求的改变生活的下一代技术。

未来的水晶

根据定义，晶体是由高度有序、重复的原子晶格组成的材料。这种结构意味着晶体以独特的方式与光和电相互作用，可以具有强大的技术应用。例如，光通信之所以成为可能，是因为微小的晶体可以将光转换为电子信息，反之亦然。

“我在大学时有一个非常非常慢的互联网调制解调器，”姚回忆道。“我不记得确切的传输速率，但它可能比我现在使用的互联网慢一万倍。这种速度是可能的，因为我们正在使用光纤传输信息。”

今天，通过光缆传输的信息被编码成超快的闪光，时而忽明忽暗。半导体晶体将这些闪光转换为电子信号或将电子信号转换为光。

Yao说，与电气方法相比，光通信具有多种优势。例如，光在高频下的损耗通常低于电流，并且通常不受电磁干扰。在电信号和光信号之间切换的能力加快了通信和处理速度。但Yao说，如果使用合适的新材料，光纤可以变得更加强大。

Yao发现了一种特殊类型的二维晶体，​​称为MX材料，由于不对称的晶体结构，这种晶体会根据材料的方向以不同的方式与光相互作用。这意味着MX材料可以发出两种不同偏振的光，比传统晶体具有更大的带宽。

“目前，通过光通信，你可以想象每个通道都有一种颜色的光可以打开和关闭，”Yao说。“如果我们可以用两种颜色编码数据，那么这至少是同时有两个信息通道，更不用说光的偏振了。”

红色和蓝色通道(举例来说)可以传输的不仅仅是红色和蓝色;他们还可以在两者之间发出复杂的信号。偏振光从一个方向撞击晶体将编码为红色，从另一个方向将编码为蓝色，而来自两者之间的任何一个都将是这些复杂信号之一。一道闪光比开或关的意义要大得多。

扭曲的水晶

与MX材料一样，姚本人也总是同时进行多种研究。他的实验室小组还在研究像螺旋楼梯一样排列成扭曲堆叠的二维晶体——这一领域被称为扭曲光学。

“事实证明，这种扭曲角度赋予了材料完全不同的电子和光学特性，”姚说。

过去，研究人员通过生长传统的平板晶体，然后以正确的方向手动堆叠它们来开发这些扭曲的晶体。姚的实验室小组率先开发出一种自然生长晶体的方法。

“种植晶体有点像种植植物，”他说。“对于植物，你提供肥料、阳光和水;对于晶体，我们提供分子通量、合适的温度和合适的压力。”

通过调整温度和压力，Yao发现他可以迫使MX材料层长成螺旋结构，他说这种结构在显微镜下看起来就像一个扭曲的DNA分子。这种扭曲引入了光与材料相互作用的新方式——光可以顺时针或逆时针旋转，具体取决于结构。Yao和其他人的初步证据表明，扭曲的材料还可以迫使光子结合或分裂，这是一种不寻常的现象，意味着材料可以将一种光(例如可见光、紫外线或红外线)转换为另一种或产生全新的光颜色。

JieYao和博士生FanhaoMeng调整激光以评估扭曲的二维晶体与不同类型的光相互作用时的特性。埃琳娜·茹科娃(ElenaZhukova)的插图

获得Heising-Simons奖后，Yao计划更好地描述这些扭曲晶体如何与光相互作用，并探究其他扭曲晶体(到目前为止他只在一种MX中制造它们)是否具有相同的特性。

“我们开辟了一个全新的研究方向，”他说。

只有时间才能证明Yao的晶体是否会成为明天的半导体，重塑世界经济并以新的方式连接人与信息。目前，姚明仍然很兴奋，并被这种可能性所驱使。

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