南加大工程师用“光热力学”让光变得更聪明

在工程领域，‘路由’是一个常见概念。例如，机械系统中的多通阀控制液体流向，电子设备中的Wi-Fi路由器或以太网交换机则将数字信号从多个输入源准确发送到指定输出端口。然而，长期以来，对光信号实现类似的路由却复杂得多。传统光学路由器依赖复杂的开关网络和电子控制系统来改变光的路径，这不仅增加了结构复杂性，也限制了速度和性能。

南加州大学维特比工程学院的研究团队最近展示了一种全新的方法。可以将其想象成一个能自动调整的弹珠迷宫：通常情况下，人们需要手动调整障碍物才能引导弹珠进入正确出口；而在这个新装置中，无论从哪里放入弹珠，它都会自动滚向正确的目的地。光在这个系统中也表现出类似行为——它依据热力学规律自行找到正确的路径。

这项技术的核心是‘光学热力学’理论。研究人员发现，在非线性多模光学系统中，尽管光的行为看似混乱，但其实类似于气体趋向热平衡的过程：通过随机相互作用，能量最终会达到稳定分布。基于这一原理，他们建立了描述光在非线性晶格中行为的理论框架，揭示了光可以经历类似膨胀、压缩甚至相变的过程。这种模型为理解和利用光的自然自组织能力提供了统一视角。

发表在《自然·光子学》上的实验装置首次验证了这一理论。该设备不依赖外部开关或主动控制，而是通过结构设计让光信号自动导向目标输出通道。其过程分为两步：首先发生类似气体‘焦耳-汤姆逊膨胀’的光学膨胀，随后系统趋于热平衡，最终使光子自发集中到指定出口。

这项突破有望推动芯片级通信、高性能计算、电信和信息安全等领域的发展。随着传统电子技术接近极限，包括英伟达在内的多家企业正探索更高效节能的光子技术。这种无需复杂控制即可实现精准光路管理的方法，可能大幅简化未来光学系统的设计。

研究负责人、南加州大学光学与光子学组博士生赫迪耶·M·迪纳尼表示：‘这不仅可用于光信号路由，还可能带来全新的光控方式，影响信息处理、通信乃至基础物理研究。’该校电气与计算机工程教授德米特里奥斯·克里斯托杜利德斯补充道：‘曾经被视为光学难题的复杂性，如今被重新理解为一种自然物理过程，或将彻底改变工程师控制光信号的方式。’