奇特的電子液體：將有助於太赫茲器件開發！

導讀

近日，美國加州大學河濱分校的物理學家們通過強大的激光脈衝轟擊超薄的半導體「三明治」，創造出了首個室溫條件下的「電子液體」。

背景

太赫茲波，是指頻率範圍在 100GHz 到 10THz 之間，波長介於微波和紅外線之間的電磁波，對於人眼來說是不可見的。

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（圖片來源：維基百科）

雖然微波與紅外線的應用都已非常成熟，但是太赫茲波卻是人類迄今為止了解最少、開發最少的一個波段，因此也被稱為「太赫茲空白」。

然而，這一空白卻蘊藏著巨大潛力。太赫茲波具有穿透性強、安全性高、定向性好、帶寬高、時間與空間解析度高等技術優勢。因此，太赫茲技術可應用於成像、存儲、通信、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學、安全檢測、無損檢測等多個領域。

太赫茲安檢成像示意圖（圖片來源於網路）

用太赫茲技術對一本合上的書中的書頁內容進行成像（圖片來源：Barmak Heshmat）

太赫茲通信系統（圖片來源：荷蘭內梅亨大學）

用太赫茲頻段電磁脈衝切換計算機存儲單元的存儲狀態（圖片來源：莫斯科物理技術學院）

然而，目前影響太赫茲技術發展的主要原因就是：缺少穩定有效的太赫茲發射源與探測器。

創新

今天，筆者要為大家介紹一項新成果，它將為首個高效實用的太赫茲波生成與檢測設備的開發開闢道路。

近日，美國加州大學河濱分校的物理學家們通過強大的激光脈衝轟擊超薄的半導體「三明治」，創造出了首個室溫條件下的「電子液體」。這項研究有望帶來應用於外太空通信、癌症檢測、安全檢測等領域的太赫茲設備。

在超薄材料組成的器件中，電子與空穴凝結成類似於液態水的液滴。（圖片來源：加州大學河濱分校）

2月4日，加州大學河濱分校的物理學家們將他們的成果在線發表在《自然光子學》期刊上。加州大學河濱分校物理系副教授、量子材料光電子學實驗室主任 Nathaniel Gabor 是科研團隊的領頭人。論文的其他合著者還包括實驗室成員 Trevor Arp 與 Dennis Pleskot，以及物理與天文學副教授 Vivek Aji。

技術

在他們的實驗中，科學家們構造出一個超薄三明治結構，一層二碲化鉬半導體位於兩層石墨烯之間。這種分層結構只比單個DNA分子的寬度稍微厚一點。然後，他們用超高速激光脈衝（以一千萬億分之一秒來度量）轟擊這種材料。

（圖片來源：加州大學河濱分校）

Gabor 表示：「通常來說，通過諸如硅之類的半導體，激光激發創造出在材料中到處傳播的電子以及空穴（它有著與電子相反的電荷），氣體就是這麼定義的。」然而，在他們的實驗中，研究人員們檢測到了相當於液體的凝聚跡象。這種液體具有類似普通液體（例如水）的特性，只不過它不是由分子組成，而是由半導體中的空穴和電子組成。

Gabor 表示：「我們將能量注入系統，但是卻什麼也沒看到，然後突然，我們發現材料中形成了我們所說的『反常光電流環』。我們意識到，這是一種液體，因為它像水滴一樣生長，而不是表現得像氣體那樣。」

他說：「然而，真正讓我們驚訝的卻是，它在室溫下產生了。之前，研究人員們創造出了這種電子-空穴液體，但卻只能是在比外太空更低的溫度條件下。」

Gabor 表示，這種液滴的電子特性，將有利於以前所未有的效率工作在太赫茲頻譜區域的光電子器件的開發。

在更進一步地研究電子-空穴「納米水坑」之後，科學家們將探索它們的液體特性，例如表面張力。

Gabor 表示：「目前，我們還不知道這種液體有多少液體特性，所以找出這些液體特性很重要。」

Gabor 也計劃採用這項技術拓展基礎物理現象。例如，冷卻「電子-空穴」液體至超低溫度，將使其轉變為一種具有奇特物理性質的「量子流體」，從而可以揭示出物質的新基本原理。

在他們的實驗中，研究人員採用了兩個關鍵技術。為了構造這種二碲化鉬與石墨烯組成的超薄三明治結構，他們採用了一種稱為「彈性衝壓」的技術。該方法採用了一種粘性聚合物，來撿起並堆疊原子厚度的石墨烯層與半導體層。

此外，為了將能量泵入半導體三明治中並對效果進行成像，他們採用了由 Gabor 與 Arp 開發的「多參數動態光響應顯微鏡」。在這項技術中，超高速激光脈衝光束，被操控用於掃描樣本，對產生的電流進行光學映射。

一種新型顯微鏡被開發出來用於首次觀測室溫條件下的液滴。（圖片來源：加州大學河濱分校）

價值

這項研究不僅使得在極其微小的尺度上探索物質基本物理學變得可能，而且有助於進入一個量子材料（其結構是在原子尺度上設計）的新時代。

Gabor 表示，太赫茲發射器與接收器也可以用於外太空中更高速的通信系統。此外，這種「電子-空穴」液體有望成為量子計算機的基礎，它有望變得比如今使用的硅基電路小很多。

Gabor 表示，一般來說，他的實驗室所使用的這項技術將成為設計原子尺寸的「量子材料」的基礎，讓精準操控電子使其產生各種新表現變得可能。

關鍵字

激光、太赫茲、半導體、石墨烯、量子

參考資料

【1】https://news.ucr.edu/articles/2019/02/04/uc-riverside-physicists-create-exotic-electron-liquid

【2】Trevor B. Arp, Dennis Pleskot, Vivek Aji, Nathaniel M. Gabor. Electron–hole liquid in a van der Waals heterostructure photocell at room temperature. Nature Photonics, 2019; DOI: 10.1038/S41566-019-0349-Y

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