天生我材——比晶体管快一千倍的新技术
2017-09-28 11:53:41
作者：本网整理 来源：材料科技在线
电流的控制对于现代电子产品来说是至关重要的，因为数据和信号都是由高速控制的电流传输的。随着技术的不断发展，人们对于传输速度的要求也在增加。科学家已成功地利用一束激光脉冲，在飞秒内改变了石墨烯中电流的方向。与当今最高效的晶体管相比，这个速度快了将近一千倍！
上图为超快电流的实验原理图：蜂窝状的石墨烯被红色光波击中时，会立即产生一种电流。通过分析这一现状，纽约堡大学的研究人员发现，电子波的量子力学干扰可以实现对电流在极短时间内的控制。
电流的控制对于现代电子产品来说是至关重要的，因为数据和信号都是由高速控制的电流传输的。随着技术的不断发展，人们对于传输速度的要求也在增加。激光物理学教授和应用物理学教授已成功地利用一束激光脉冲，在飞秒（1飞秒只有1秒的一千万亿分之一）内改变了石墨烯中电流的方向。与当今最高效的晶体管相比，这个速度快了将近一千倍！
石墨烯可以胜任这项工作
在气体、绝缘材料和半导体领域中，科学家们已经证明，可以通过光波来引导电子，因此在理论上电流是可以控制的。然而，这一概念还没有被应用到金属中，因为光通常不能够穿透金属材料来控制内部的电子。为了避免这一效应，Peter Hommelhoff教授和Heiko Weber教授工作组的物理学家们选用了石墨烯材料——一种仅由单层碳原子构成的半金属物质。尽管石墨烯是一种优良的导体，但是它足够薄可以使一些光穿透材料并使得电子发生运动。
在他们的实验中，科学家们利用一种特别设计的波形将极短的激光脉冲发射到石墨烯上。 当这些光波击中石墨烯时，内部的电子就会向一个方向运动。该文章的第一作者，激光物理学教授Takuya Higuchi博士解释说：“在强光场下，电流是在一个极小的光学周期的范围内产生的——通常仅有半飞秒，令人惊讶的是，尽管处于如此大的能力场中，但量子力学仍然起着关键作用。”
电子的分裂路径
研究人员发现，石墨烯的生成过程遵循复杂的量子力学理论。电子从初始态转变成激发态的路径，类似于通往同一目的地的分叉路。就像波浪一样，电子可以在岔道处分裂并同时在两条道路上流动。根据分裂电子波的相对相位，当它们再次相遇时，电流可能是非常大，但也可能为零。激光物理学教授Peter Hommelhoff博士解释说：“这就像水波一样，想象一下，当一个波浪冲破了建筑物的墙壁，并同时流向建筑物的左侧和右侧。在建筑物的尽头，两部分会再次相遇。如果一部分波达到其峰值，便会产生非常大的波浪和电流；而如果一个波处于峰值，另一波却处于峰谷，那么两者就会相互抵消，无法产生电流。因此，我们可以利用光波来调节电子的运动以及产生的电量大小。”
未来我们会看到光频控制的电子吗？
这是将电子和光学结合在一起的一个里程碑。未来，该方法有望能为实现在光频控制的超快电子设备领域中打开一扇门。
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