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天生我材——比晶體管快一千倍的新技術

2017-09-28 11:53:41 作者：本網整理來源：材料科技在線分享至：

電流的控制對于現代電子產品來說是至關重要的，因為數據和信號都是由高速控制的電流傳輸的。隨著技術的不斷發展，人們對于傳輸速度的要求也在增加。科學家已成功地利用一束激光脈沖，在飛秒內改變了石墨烯中電流的方向。與當今最高效的晶體管相比，這個速度快了將近一千倍！

上圖為超快電流的實驗原理圖：蜂窩狀的石墨烯被紅色光波擊中時，會立即產生一種電流。通過分析這一現狀，紐約堡大學的研究人員發現，電子波的量子力學干擾可以實現對電流在極短時間內的控制。

電流的控制對于現代電子產品來說是至關重要的，因為數據和信號都是由高速控制的電流傳輸的。隨著技術的不斷發展，人們對于傳輸速度的要求也在增加。激光物理學教授和應用物理學教授已成功地利用一束激光脈沖，在飛秒（1飛秒只有1秒的一千萬億分之一）內改變了石墨烯中電流的方向。與當今最高效的晶體管相比，這個速度快了將近一千倍！

石墨烯可以勝任這項工作

在氣體、絕緣材料和半導體領域中，科學家們已經證明，可以通過光波來引導電子，因此在理論上電流是可以控制的。然而，這一概念還沒有被應用到金屬中，因為光通常不能夠穿透金屬材料來控制內部的電子。為了避免這一效應，Peter Hommelhoff教授和Heiko Weber教授工作組的物理學家們選用了石墨烯材料——一種僅由單層碳原子構成的半金屬物質。盡管石墨烯是一種優良的導體，但是它足夠薄可以使一些光穿透材料并使得電子發生運動。

在他們的實驗中，科學家們利用一種特別設計的波形將極短的激光脈沖發射到石墨烯上。當這些光波擊中石墨烯時，內部的電子就會向一個方向運動。該文章的第一作者，激光物理學教授Takuya Higuchi博士解釋說：“在強光場下，電流是在一個極小的光學周期的范圍內產生的——通常僅有半飛秒，令人驚訝的是，盡管處于如此大的能力場中，但量子力學仍然起著關鍵作用。”

電子的分裂路徑

研究人員發現，石墨烯的生成過程遵循復雜的量子力學理論。電子從初始態轉變成激發態的路徑，類似于通往同一目的地的分叉路。就像波浪一樣，電子可以在岔道處分裂并同時在兩條道路上流動。根據分裂電子波的相對相位，當它們再次相遇時，電流可能是非常大，但也可能為零。激光物理學教授Peter Hommelhoff博士解釋說：“這就像水波一樣，想象一下，當一個波浪沖破了建筑物的墻壁，并同時流向建筑物的左側和右側。在建筑物的盡頭，兩部分會再次相遇。如果一部分波達到其峰值，便會產生非常大的波浪和電流；而如果一個波處于峰值，另一波卻處于峰谷，那么兩者就會相互抵消，無法產生電流。因此，我們可以利用光波來調節電子的運動以及產生的電量大小。”

未來我們會看到光頻控制的電子嗎？

這是將電子和光學結合在一起的一個里程碑。未來，該方法有望能為實現在光頻控制的超快電子設備領域中打開一扇門。

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責任編輯：殷鵬飛

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