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前沿速递 | ncs 集萃：2026-09-17 期
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单晶纳米膜异质光子集成
Heterogeneous photonic integration of single-crystalline nanomembranes
Despite the growing maturity of silicon (Si) and silicon nitride (SiN) for integrated photonics, a single material platform is unable to meet the diversifying requirements posed for photonic integrated circuits. Essential optical functionalities can be attained by the heterogeneous integration of functional materials into established photonic platforms. However, stringent lattice-matching constraints severely hinder the quality of heteroepitaxial material grown on dissimilar optical substrates.
尽管硅（Si）和氮化硅（SiN）在集成光子学领域日益成熟，但单一材料平台难以满足光子集成电路多样化的需求。通过将功能材料异质集成到已建立的光子平台上可实现关键光学功能，然而严格的晶格匹配要求严重限制了在非相似光学衬底上生长异质外延材料的质量。本研究利用先进的外延和层剥离技术制备的独立式单晶纳米薄膜突破了这一局限，提出了一种基于光子范德华（vdW）集成的多功能框架，可将所需功能引入Si和SiN光子器件中。实验通过将单晶钛酸钡（BTO）薄膜转移到Si芯片上，实现了超高效电光调制，其Pockels系数r42超过1,290 pm V-1，3 dB电光带宽超过23 GHz，这得益于BTO明确的晶体取向和高品质；还报道了通过将钴铁氧体（CFO）纳米薄膜范德华集成到Si微环中实现的超紧凑非互易磁光隔离器，法拉第旋转角θF达33,800° cm-1。为展示将不同功能材料融合到任意光子模板中的能力，研究进一步在SiN光子器件顶部横向拼接砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）单晶，实现了从紫外到近红外波段的宽谱光电探测；
利用自由站立单晶纳米膜与光子范德华集成框架，实现了多种功能材料在硅基光子平台上的高质量异质整合，显著提升了电光调制、磁光隔离及宽谱探测性能并开发出多功能谐振器。
热力学有利的分子计算机
A thermodynamically favoured molecular computer
Computers, like life, are usually out of equilibrium. Undesired error states are thwarted by energetically costly kinetic control processes: proofreading of biological polymers, error correction in computing and redundancy in molecular programming. Unlike life as we know it, theory shows that computation can be embedded in a system relaxing to a thermodynamically favoured equilibrium state. Machine learning and search algorithms use this idea, although executed on non-equilibrium architectures a
与生命系统类似，计算机通常处于非平衡态，需通过高能耗的动力学控制过程（如生物聚合物的校对、计算中的纠错和分子编程的冗余设计）来避免错误状态；但理论表明计算可嵌入热力学有利平衡态系统，机器学习等虽利用此思想却仍依赖高耗能的非平衡架构，而物理实现热力学有利的计算需要可编程且适用于能量景观工程的介质，为此本文展示了在10个程序上运行的具有热力学优势的支架式DNA计算机（SDC），包括3倍乘法、2倍除法、8位奇偶校验检测和25位数加法（共100位计算），其算法实验协议简单、可重复使用数十次且小规模运行时间不到一分钟，数学、物理和计算机科学原理揭示了SDC的热力学优势及其无需纠错或精确动力学控制的特性，并证明了其可编程性和可扩展性，为各类合成系统的平衡计算提供了新思路。
支架式DNA计算机实现了热力学有利的计算，具备无需纠错、可重复使用及可扩展的特性。