日本和美国的研究人员在《npj Computational Materials》杂志上发表报告说，通过在高压下生产由石英玻璃制成的光纤，可以显著改善光纤数据传输。

通过计算机模拟，北海道大学、宾夕法尼亚州立大学的研究人员和他们的行业合作者理论上表明，二氧化硅玻璃纤维的信号损耗可以减少50%以上，这可以大大延长数据在不需要放大的情况下传输的距离。

北海道大学电子科学研究所（RIES）的副教授小野道彦（Madoka Ono）说：“近年来，由于缺乏对材料在原子水平上的了解，硅玻璃这种最重要的光通信材料的改进已经停滞。”我们的研究结果现在可以帮助指导未来的物理实验和生产过程，尽管这在技术上具有挑战性。”

光纤给全世界的高带宽、长距离通信带来了革命性的变化。承载所有这些信息的电缆主要是由石英玻璃制成的细线，比人的头发稍粗。这种材料坚固、灵活，并且非常善于以光的形式传输信息，成本低廉。但是由于光被散射，数据信号在到达最终目的地之前会逐渐消失。放大器和其他工具被用来在信息散开之前容纳和传递信息，确保信息被成功传递。科学家们正在寻求减少被称为瑞利散射的光散射，以帮助加速数据传输并向量子通信靠拢。

小野和她的合作者使用多种计算方法来预测高温高压下硅玻璃的原子结构会发生什么变化。他们发现，当玻璃在低压下加热然后冷却时，二氧化硅原子之间会形成大的空隙，这就是所谓的淬火。但当这个过程发生在4千兆帕（GPa）以下时，大部分大的空穴消失，玻璃呈现出更加均匀的晶格结构。

具体地说，模型显示玻璃经历了一次物理转变，更小的原子环被消除或“修剪”，使得较大的原子环能够更紧密地结合在一起。这有助于减少导致光散射的空穴的数量和平均尺寸，并将信号损失减少50%以上。

研究人员怀疑，在更高的压力下，使用较慢的冷却速度可以实现更大的改进。该工艺也可用于其他具有类似结构的无机玻璃。然而，在如此高的压力下以工业规模生产玻璃纤维是非常困难的。

“现在我们知道了理想的压力值，我们希望这项研究将有助于推动高压制造设备的发展，这种设备可以生产这种超透明的石英玻璃，”小野说。

参考文献：Yongjian Yang et al. Topological pruning enables ultra-low Rayleigh scattering in pressure-quenched silica glass, npj Computational Materials (2020). DOI: 10.1038/s41524-020-00408-1。