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天生我材——比晶體管快一千倍的新技術(shù)

2017-09-28 11:53:41 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料科技在線分享至：

電流的控制對(duì)于現(xiàn)代電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，因?yàn)閿?shù)據(jù)和信號(hào)都是由高速控制的電流傳輸?shù)摹ｋS著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于傳輸速度的要求也在增加。科學(xué)家已成功地利用一束激光脈沖，在飛秒內(nèi)改變了石墨烯中電流的方向。與當(dāng)今最高效的晶體管相比，這個(gè)速度快了將近一千倍！

上圖為超快電流的實(shí)驗(yàn)原理圖：蜂窩狀的石墨烯被紅色光波擊中時(shí)，會(huì)立即產(chǎn)生一種電流。通過(guò)分析這一現(xiàn)狀，紐約堡大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，電子波的量子力學(xué)干擾可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流在極短時(shí)間內(nèi)的控制。

電流的控制對(duì)于現(xiàn)代電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，因?yàn)閿?shù)據(jù)和信號(hào)都是由高速控制的電流傳輸?shù)摹ｋS著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于傳輸速度的要求也在增加。激光物理學(xué)教授和應(yīng)用物理學(xué)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(wàn)億分之一）內(nèi)改變了石墨烯中電流的方向。與當(dāng)今最高效的晶體管相比，這個(gè)速度快了將近一千倍！

石墨烯可以勝任這項(xiàng)工作

在氣體、絕緣材料和半導(dǎo)體領(lǐng)域中，科學(xué)家們已經(jīng)證明，可以通過(guò)光波來(lái)引導(dǎo)電子，因此在理論上電流是可以控制的。然而，這一概念還沒(méi)有被應(yīng)用到金屬中，因?yàn)楣馔ǔ２荒軌虼┩附饘俨牧蟻?lái)控制內(nèi)部的電子。為了避免這一效應(yīng)，Peter Hommelhoff教授和Heiko Weber教授工作組的物理學(xué)家們選用了石墨烯材料——一種僅由單層碳原子構(gòu)成的半金屬物質(zhì)。盡管石墨烯是一種優(yōu)良的導(dǎo)體，但是它足夠薄可以使一些光穿透材料并使得電子發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們利用一種特別設(shè)計(jì)的波形將極短的激光脈沖發(fā)射到石墨烯上。當(dāng)這些光波擊中石墨烯時(shí)，內(nèi)部的電子就會(huì)向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。該文章的第一作者，激光物理學(xué)教授Takuya Higuchi博士解釋說(shuō)：“在強(qiáng)光場(chǎng)下，電流是在一個(gè)極小的光學(xué)周期的范圍內(nèi)產(chǎn)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(chǎng)中，但量子力學(xué)仍然起著關(guān)鍵作用。”

電子的分裂路徑

研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯的生成過(guò)程遵循復(fù)雜的量子力學(xué)理論。電子從初始態(tài)轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)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(shí)在兩條道路上流動(dòng)。根據(jù)分裂電子波的相對(duì)相位，當(dāng)它們?cè)俅蜗嘤鰰r(shí)，電流可能是非常大，但也可能為零。激光物理學(xué)教授Peter Hommelhoff博士解釋說(shuō)：“這就像水波一樣，想象一下，當(dāng)一個(gè)波浪沖破了建筑物的墻壁，并同時(shí)流向建筑物的左側(cè)和右側(cè)。在建筑物的盡頭，兩部分會(huì)再次相遇。如果一部分波達(dá)到其峰值，便會(huì)產(chǎn)生非常大的波浪和電流；而如果一個(gè)波處于峰值，另一波卻處于峰谷，那么兩者就會(huì)相互抵消，無(wú)法產(chǎn)生電流。因此，我們可以利用光波來(lái)調(diào)節(jié)電子的運(yùn)動(dòng)以及產(chǎn)生的電量大小。”

未來(lái)我們會(huì)看到光頻控制的電子嗎？

這是將電子和光學(xué)結(jié)合在一起的一個(gè)里程碑。未來(lái)，該方法有望能為實(shí)現(xiàn)在光頻控制的超快電子設(shè)備領(lǐng)域中打開(kāi)一扇門。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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