德国科学家研制最快速光驱动电流源

控制电子电流对于现代电子学来说是至关重要的，因为数据和信号都是由高速控制的电子流传输的。随着技术的发展，对于传输速度的要求也越来越多。在埃尔朗根-纽伦堡的弗里德里希亚力山大大学（FAU）的物理学家已经成功实现了在石墨烯中使用一个单一的飞秒激光脉冲接通电流传输，一个飞秒相当于十亿分之一秒的一百万分之一。这相对于当今最有效的晶体管还要快一千倍以上。

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上面的可视化示意图显示了用于薄膜材料的石墨烯层。图片来源：曼彻斯特大学

科学家已经表明，在气体、绝缘材料和半导体材料中用光引导电子是可能的。因此，从原理上讲，可以实现电流的控制。然而，这个概念还没有被应用于金属材料，因为光通常不能穿透材料来控制电子。为了避免这种情况的影响，在Peter Hommelhoff教授和Heiko Weber教授的研究小组中，物理学家们利用了石墨烯，这种材料仅由一层碳原子组成。尽管石墨烯是一种很好的导体，但它的厚度足以让一些光线穿透材料并实现电子的移动控制。

在他们的实验中，科学家们用特别设计的波形在石墨烯上发射极短的激光脉冲。当这些光波击中了石墨烯时，里面的电子被投掷在一个方向，像鞭子的作用一样。在强烈的光场下，电流会在一个光周期产生，即半个飞秒的时长。令人惊讶的是，尽管在这种巨大的力的作用下，量子力学仍然起着关键的作用，Takuya Higuchi博士说，他是该研究论文的第一作者。
研究人员发现石墨烯中的电流产生过程遵循复杂的量子力学。电子通过两条路径从初始状态到激发态，而不是同一条通向同一目的地的分叉路。像波一样，电子可以在分叉处同时在两条路上流动。根据分裂的电子波之间的相对相位，当它们再次相遇时，电流可能非常大，或者根本就不存在。这就像水波一样。

想象一个波浪冲击着建筑物的墙壁，同时向建筑物的左边和右边流动。在大楼的尽头，两部分又相遇了。如果部分波在峰值处相遇，就会产生非常大的波，结果就是电流之和。如果一个波的高峰期，与另一个波的最低点相遇，那两者就会相互抵消，没有电流存在，Peter Hommelhoff教授说。我们可以利用光波来调节电子移动，并产生部分电能。

这一结果是电子学与光学结合的又一重要研究进展。在未来，该方法可以为实现超快电子在光频率下的工作打开一扇大门。

来源：https://phys.org/news/2017-09-fastest-light-driven-current-source.html

200833	2017-09-28 23:19
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