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研究人员实现电子的亚飞秒传输
2019-12-31

据光子学网站20191227日报道】一个由康斯坦茨大学、卢森堡大学、法国国家科学研究中心-巴黎第十一大学、材料物理中心以及西班牙圣塞巴斯蒂安Donostia国际物理中心组成的欧洲团队,找到了一种通过对光进行操纵,以亚飞秒的时间传输电子的方法。研究人员认为,他们的发现可能会对未来的数据处理和计算产生重大影响。

研究团队的任务是开发一种实验装置,以在单个振荡周期内操纵飞秒级的超短光脉冲,同时创建适用于高精度测量和电荷操纵的纳米结构。康斯坦茨大学超快现象和光电子学教授、该研究的合著者Alfred Leitenstorfer说:“幸运的是,我们在康斯坦茨拥有一流的设备。”

传统的现代电子元件是基于硅半导体技术构成的,其开关时间在皮秒(10-12秒)范围内。标准的移动电话和电脑的工作频率最高可达几十亿赫兹,而单个晶体管的工作频率可接近1太赫兹。康斯坦茨大学最近进行了一系列实验,并在《自然物理学》期刊上发表了这些实验结果。这些实验表明,通过特定的光波操纵,电子可以被诱导以亚飞秒(小于10-15)的速度进行移动。

Leitenstorfer教授说:“这可能就是电子学遥远的未来,我们对单周期光脉冲的实验已经将我们带入了阿秒级电子传输的领域。”Leitenstorfer和他的物理系及应用光子学中心的团队相信,电子学的未来在于集成的等离子体和光电子器件,它们以光频率在单电子状态下运行。然而,Leitenstorfer对于相关的预测仍有所保留,他称这项研究仍然是“非常基础的”,可能需要数十年的时间来实施。

Leitenstorfer的实验使用了纳米级的金天线和超快激光器,这种激光器每秒可以发射1亿个单循环光脉冲,从而产生可测量的电流。该光学天线的领结设计考虑了亚波长和亚周期电场的时空集中度,能够将激光脉冲集中到宽度为6纳米的缝隙中。

由于电子从金属中隧穿的高度非线性特性以及在光场间隙中的加速特性,研究人员能够以大约600阿秒的速度切换电子电流。Leitenstorfer说:“这个过程只发生在光脉冲电场振荡周期一半以下的时间尺度上。”巴黎和圣塞巴斯蒂安的项目合作伙伴能够对Leitenstorfer的观测进行确认,并创建一个与光场耦合的电子量子结构的明细图。

研究人员希望这项研究能为理解光如何与凝聚态物质相互作用提供新的机会,从而在新的时空尺度上观察量子现象。以电子动力学的新方法为基础,研究人员将继续研究原子时间和长度尺度下的电子传输,甚至是更复杂的、采用皮米尺寸的固态器件的电子传输。(国家工业信息安全发展研究中心 刘彧宽)

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