最快速的光碟機動電流源

導讀

德國埃爾朗根-紐倫堡大學（FAU）的科學家們成功使用單脈衝激光，在飛秒（1飛秒 = 千萬億分之一秒）時間內，在石墨烯中期望的方向上接通了電流。與當今最高效的晶體管相比，這個速度要快1000倍。

關鍵字

石墨烯、電子、激光器

背景

控制電子流對於現代電子設備至關重要，因為數據和信號是通過在高速條件下受控的電子流傳遞的。隨著技術的發展，對於傳輸速度的要求也在不斷提升。

創新

最近，德國埃爾朗根-紐倫堡大學（FAU）激光物理系和應用物理系的科學家們成功使用單脈衝激光，在飛秒（1飛秒 = 千萬億分之一秒）時間內，在石墨烯中期望的方向上接通了電流。與當今最高效的晶體管相比，這個速度要快1000倍。

（圖片來源：FAU / Takuya Higuchi）

技術

在氣體、絕緣材料和半導體中，科學家已經展示了通過光波引導電子，從而基本上控制電流。然而，這個概念尚未應用到金屬，因為光線通常無法穿透物質來控制其內部的電子。

為了避免這個效應，物理學家 Peter Hommelhoff 教授和 Heiko Weber 教授採用了石墨烯，一種由單層碳原子組成的半金屬。石墨烯是一種優秀的導體，且足夠薄，能讓一些光線穿透材料並且移動電子。

在他們的實驗中，科學家向石墨烯發射了具有專門設計的波形的極短激光脈衝。當這些光波遇到石墨烯的時候，其內部的電子會向一個方向投擲，就像一個鞭子。論文的第一作者、激光物理系的Takuya Higuchi 博士解釋道：

「在強烈的光場下，在光學周期的一小部分（半飛秒）時間內，會產生一個電流。讓人感到驚喜的不止是這些巨大的力量，量子力學也起到了重要作用。」

研究人員發現，在石墨烯中生成電流的過程伴隨著複雜的量子力學。電子通過的是兩條路徑而不是一條，從它們的初始狀態轉移到受激狀態，類似於分叉的道路通往同一目的地。就像波一樣，電子可以在交叉路口分開，並且在兩條路上同時流動。

根據電子波分裂的相對相位，他們又會重新相遇，電流會變得很大或者消失。激光物理系的教授 Peter Hommelhoff 解釋說：

「這就像一個水波。想像水波被建築物牆打破，同時流向建築物的左邊和右邊。在建築物的另外一端，兩部分又重新匯合。如果兩個分波都達到峰值，會產生很大的波和電流。如果一個波達到峰值，另外一個波達到谷值，二者相互抵消，則沒有電流產生。我們可以使用光波調節電子的流動和產生電流的大小。」

價值

未來我們會看到電子設備受到光線頻率的控制嗎？答案是需要另外一個重要步驟將電子和光學帶到一起。未來，該方法將會為在光學頻率上實現超高速的電子設備打開一扇大門。

參考資料

【1】https://www.fau.eu/2017/09/25/news/research/the-fastest-light-driven-current-source/

【2】Takuya Higuchi, Christian Heide, Konrad Ullmann, Heiko B. Weber, Peter Hommelhoff.Light-field-driven currents in graphene. Nature, 2017; DOI: 10.1038/nature23900

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