科学家们发现了一种利用光可以在纳米空间尺度和飞秒时间尺度上控制电子的新机制

电子设备的流行改变了21世纪的生活。 这些器件的核心是电子在材料上的运动。今天，科学家们继续探索操纵和移动电子的新方法，以寻求制造速度更快、功能更强的设备。

来自冲绳科学技术大学研究生院（OIST）的Keshav Dani教授领导的飞秒光谱学科的科学家们展示了一种新机制，这种机制利用光可以在纳米空间尺度和飞秒（10-15 秒）时间尺度上控制电子。

该研究结果发表在Science Advances杂志上（“Pulling apart photoexcited electrons by photoinducing an in-plane surface electric field”）。

科学家将飞秒光谱和电子显微技术结合起来观察电子在短的时间和空间尺度上的运动。（图片来源：飞秒光谱学科，冲绳科学技术大学研究生院）

当在半导体材料上施加电压时，就会产生电场，该电场引导电子流过材料。最近在冲绳科学技术大学研究生院博士毕业的E Laine Wong博士和她的同事们利用一种称为表面光电压效应的物理现象，在材料表面诱导电场，使得能引导电子向相反的方向流动。

表面光电压效应是指通过改变光强度来改变材料的表面电位。“通过利用激光束的非均匀强度分布，我们操纵局部表面电位，在光激发点内产生一个空间变化的电场。这使我们能够控制光斑内的电子流动。”E Laine说。

E Laine和她的同事结合飞秒光谱学与电子显微镜技术，制作了一部关于飞秒时间尺度上电子流动的电影。

通常，在飞秒光谱学中，首先使用被称为“泵”的超快激光束来激发样品中的电子。然后将被称为“探针”的第二超快激光束照射在样品上以跟踪受激电子的演化过程。

这种技术，也称为泵浦探测光谱，使科学家们能够在很短的时间内研究激发电子的动力学。然后，结合电子显微镜进一步为科学家提供了即使在激光束点的小范围内也能直接成像激发电子的运动所需的空间分辨率。

“这两种方法结合了很高的空间和时间分辨率，这使得我们能够录制一部被引导向相反方向流动的电子的电影。”E Laine说。

该研究的发现也有望控制超过光的分辨率极限的电子的移动，通过利用焦点位置激光束的空间强度变化。因此，该机制可能用于操作纳米级电子电路。

Dani教授和他的团队正在努力构建基于这种新发现机制的功能性纳米级超快设备。

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