作为视觉生物，人类自古以来就通过肢体语言、文字和烽火等借助光来进行交流。随后，对无线电等不可见光频率的利用大幅扩展了人类的通信范围，而将光高度集中形成的激光技术则极大地提高了通信的保真度。此外，通过光纤电缆传输激光更是让通信摆脱了直线传输的束缚。如今，美国加州理工学院的研究人员在打破这一限制方面取得了更为深远的突破。
他们发明了一种利用光本身作为“方向盘”来引导光束的超快方法。这种方法改变光束偏转角度仅需74飞秒（一飞秒等于一千万亿分之一秒），其响应速度达到了前所未有的高度。
该研究团队的相关成果已发表在《自然-纳米技术》杂志上。论文第一作者、前加州理工学院博士后学者、现任加州大学伯克利分校机械工程助理教授克劳迪奥·霍尔表示，光学克尔效应是克服以往光引导技术响应迟缓问题的关键。克尔效应是指强光能在不到一飞秒的时间内改变介质折射率的物理现象。在此之前，光引导方法通常是通过改变光学芯片或液晶面板的电子特性来实现的，即激发电子并释放其额外能量来改变光穿过这些介质的方式。这种传统方法存在明显的物理速度限制，最慢为纳秒级别，最快也仅能达到皮秒级别。
为了突破传统技术的速度极限，霍尔与加州理工学院应用物理与材料科学教授哈里·阿特沃特及其研究团队，创新性地用一种由光束构成的“泵浦”取代了传统的电子“方向盘”。通过校准一束强光以匹配介质的光学成分，研究团队能够以特定的偏转角度将第二束强度较弱的“探测”光束射过该介质。这正是克尔效应在实际应用中的体现：改变介质的折射率意味着改变其轨道内电子的运动状态，从而减缓并使穿过该介质的光线发生弯曲。阿特沃特教授坦言，用光来引导光是一项极具挑战性的工作，因为光与物质之间的相互作用通常非常微弱。
为了进一步放大克尔效应的实际效果，研究团队需要大幅提高折射率。为此，他们将非晶硅覆盖在一层纳米级柱状结构上。这些柱状物的尺寸小于泵浦光的波长，且其排列间距经过精心设计，能够有效减缓并重新循环通过的光线，最终实现了高达13度的偏转角。阿特沃特解释道，通过使用这种超薄且经过精密纳米工程设计的光学超表面，团队能够显著增强光与物质的相互作用强度，从而以极高的效率实现光束偏转。
加州理工学院团队满怀信心地表示，随着技术的不断完善，这种光束调制速度有望进一步降至74飞秒以下，从而迈入与时间晶体以及其他能够改变时间的人造光学材料相关的尖端领域。这一突破性进展预示着在不久的将来，人类现有信息传输速度的历史记录将被彻底粉碎，有望实现每秒超过十亿张图像的海量处理能力。同时，这项技术还将大幅提升安装在航空和航海载具上的传感器性能，使其不再局限于目前依赖重力弯曲技术的运作模式，为未来先进传感器的研发开辟了广阔的新路径。