南加州大学工程师展示了一种新型光学器件，该器件可利用热力学原理让光线自行规划传播路径。

这种照明无需借助开关或数字控制，便能在系统中自行找到传输路径。这一方法通过让光学技术更趋自然高效，有望变革数据传输、计算和通信领域。

光学热力学突破

明谢电气与计算机工程系的研究人员凭借首个基于新兴光学热力学概念的光学器件的研制，在光子学领域取得了重大突破。

他们的研究发表于《自然·光子学》期刊，提出了一种在非线性系统（无需开关、外部控制或数字输入即可运行的系统）中引导光线的全新方法。在该装置中，光线无需引导或调节，便会自然地穿过设备，遵循热力学基本定律。

从阀门到路由器，再到灯光

路由是众多工程领域通用的原理。在机械系统中，多路阀控制流体流经的出口；在电子领域，路由器与网络交换机则管理着数字数据的流向，确保来自多个输入端的信息能够准确抵达目的地。然而，光的导向机制截然不同，且难度要大得多。传统光学路由器依赖复杂的开关阵列与电子电路来控制光路，这一过程不仅繁琐，还会降低性能表现。

南加州大学维特比工程学院的光子学研究人员发现了一种全新方法。他们将其形容为一种能自行组织的弹珠迷宫。通常情况下，人们必须抬起障碍物，并一步步引导弹珠，才能使其落入正确的洞中。而在南加州大学研究团队的设计中，这个迷宫的结构设计精妙，无论你把弹珠放在哪里，它都会自动滚向正确的终点——无需人工引导。同理，在这款装置中，光仅凭热力学行为便能自行找到正确的路径。

对行业的潜在影响

这一创新成果的影响力或将远超基础研究范畴。当计算与数据系统逐渐逼近电子传输速度与能效的物理极限时，众多企业（包括英伟达等芯片研发巨头）正将目光投向光互连技术，寻求更高速、更节能的替代方案。通过引入控制光子的自然自组织方法，光热力学原理有望推动新一代光学技术的突破。该理论框架还可能对电信、高性能计算及安全数据传输等更广泛领域产生深远影响，为开发兼具更强性能与更简架构的设备开辟新路径。

其运作原理：热力学驯服混沌

非线性多模光学系统常被视为混沌且不可预测的存在。其各模式间错综复杂的相互作用，使它们成为最难模拟的系统之一——更遑论将其设计用于实际应用。然而，也正因不受线性光学规则的束缚，这类系统蕴藏着丰富且尚未被探索的物理现象。

南加州大学的研究人员意识到，这些系统中的光会经历一个类似于达到热平衡的过程——就如同气体通过分子碰撞达到平衡一样——由此，他们构建了一套完整的“光学热力学”理论。该理论框架通过类比常见的热力学过程（如膨胀、压缩，甚至相变），阐释了光在非线性晶格中的行为表现。

自行导光装置

该团队在《自然·光子学》杂志上的展示标志着首款基于这一新理论设计的装置问世。该系统并未对信号进行主动调控，而是通过精妙设计，让光自行规划路径。

该原理直接源自热力学启发。正如气体经历所谓的焦耳-汤姆逊膨胀过程时，会在自然达到热平衡之前重新分配其压力和温度一样，南加州大学（USC）装置中的光也会经历一个两步过程：首先是光膨胀的模拟过程，随后达到热平衡。其结果是光子自发地流向指定的输出通道，无需任何外部开关。

开辟新领域

光学热力学通过有效地将混沌转化为可预测性，为创造一类新型光子器件打开了大门——这类器件能够利用而非对抗非线性系统的复杂性。该研究的主要作者、南加州大学维特比学院光学与光子学小组实验室的博士生赫迪耶·M·迪纳尼（Hediyeh M. Dinani）表示：“除光路调控外，这一理论框架还可能为光管理开辟全新途径，对信息处理、通信以及基础物理探索产生深远影响。”

南加州大学维特比工程学院电气与计算机工程系教授、史蒂文与凯瑟琳·桑普尔工程讲席教授德米特里奥斯·克里斯托杜利德斯补充道：“曾经被视为光学领域棘手难题的现象，如今已被重新诠释为一种自然物理过程——这一过程或将彻底改变工程师调控光及其他电磁信号的方式。”

参考文献：海迪耶·M·迪纳尼（Hediyeh M. Dinani）、乔治奥斯·G·皮里亚拉科斯（Georgios G. Pyrialakos）、亚伯拉罕·M·伯曼·布拉德利（Abraham M. Berman Bradley）、莫妮卡·莫妮卡（Monika Monika）、任慧中（Huizhong Ren）、马哈茂德·A·塞利姆（Mahmoud A. Selim）、乌尔夫·佩舍尔（Ulf Peschel）、德米特里奥斯·N·克里斯托杜利德斯（Demetrios N. Christodoulides）和梅赛德·卡贾维汗（Mercedeh Khajavikhan）所著《通过光热力学实现光的通用路由》，发表于2025年9月25日《自然·光子学》。 DOI：10.1038/s41566-025-01756-4