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深度解读

激光脉冲让材料电子排列发生瞬时转变

星之球科技来源:荣格工业激光2021-05-11我要评论(0)

■飞秒激光脉冲以前所未有的速度,驱动了半金属晶体中的电子跃迁(图片版权:Sam Beaulieu博士)近日据外媒novuslight消息,德国弗里茨·哈伯研究所和马克斯·普朗克物...



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■飞秒激光脉冲以前所未有的速度,驱动了半金属晶体中的电子跃迁(图片版权:Sam Beaulieu博士)


近日据外媒novuslight消息,德国弗里茨·哈伯研究所和马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所通过联合研究发现,激光脉冲可以让材料特性发生超快转换。未来,这一研究发现将开启全新晶体管研制的道路。


在当前的材料研究领域,尽可能提高电子技术的运算速度是核心问题,而快速计算技术的关键组件是晶体管。作为逻辑运算中的基本步骤,电路开关中的晶体管控制着电流的瞬时开、关。


为了提高对理想晶体管材料的了解,物理学家们一直在努力寻找新的方法来实现“极快开关”。现在,德国研究人员通过运用激光技术,成功研制出一种新型的超快开关。参与该研究项目的科学家,试图找到改变材料特性的最佳方式,例如使磁性金属变得没有磁性,或者改变晶体的电导率。


几十年来,控制电子排布始终是晶体管研究领域的关注焦点。但以前尝试过的各种方式,在速度方面还是没能达到理想效果。弗里茨·哈伯研究所物理化学系主任Ralph Ernstorfer表示:“我们知道诸如温度或压力变化之类的外部影响会起到一定的作用,但其过程还是要花费至少几秒钟的时间,这对于控制电流还是显得太慢。”


对于经常使用计算机和智能手机的人来说,几秒的等待时间都显得非常漫长。因此,Ralph Ernstorfer团队的任务是通过使用激光脉冲,让材料的特性发生瞬时转变。研究团队使用了弗里茨·哈伯研究所的激光脉冲设备,通过向一种半金属材料(包含了钨和碲原子)发射超短脉冲激光,成功将材料电子排列转变的时间缩短至100飞秒。


研究人员发现,晶体受到激光照射后,其内部的电子结构会迅速进行组合,这就实现了改变材料电导率的效果。团队成员Samuel Beaulieu谈到:“研究人员使用了一种新仪器记录材料特性转变的整个过程,这是一项了不起的研究成果。以往我们只对材料稳定态的电子结构有所了解,这是首次观测到材料电子结构的变化过程。”


同时,研究团队还对这种新工艺方法进行了建模,从而揭示了材料特性实现瞬时转变的原因。撞击在材料上的激光脉冲,能瞬时改变材料电子相互作用的方式。因此,激光脉冲也是行业熟悉的“Lifshitz transition”(费米面拓扑相变)的原始驱动力。


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