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材料電子排布發(fā)生瞬時轉(zhuǎn)變? 用激光脈沖可以實現(xiàn)!

星之球科技 來源:《國際工業(yè)激光制造商情》2021-06-07 我要評論(0 )   

近期據(jù)外媒novuslight消息,德國弗里茨·哈伯研究所和馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動力學(xué)研究所通過聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn),激光脈沖可以讓材料特性發(fā)生超快轉(zhuǎn)換。未來,這一研究發(fā)...

近期據(jù)外媒novuslight消息,德國弗里茨·哈伯研究所和馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動力學(xué)研究所通過聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn),激光脈沖可以讓材料特性發(fā)生超快轉(zhuǎn)換。未來,這一研究發(fā)現(xiàn)將開啟全新晶體管研制的道路。


在當(dāng)前的材料研究領(lǐng)域,盡可能提高電子技術(shù)的運算速度是核心問題,而快速計算技術(shù)的關(guān)鍵組件是晶體管。作為邏輯運算中的基本步驟,電路開關(guān)中的晶體管控制著電流的瞬時開、關(guān)。


為了提高對理想晶體管材料的了解,物理學(xué)家們一直在努力尋找新的方法來實現(xiàn)“極快開關(guān)”?,F(xiàn)在,德國研究人員通過運用激光技術(shù),成功研制出一種新型的超快開關(guān)。參與該研究項目的科學(xué)家,試圖找到改變材料特性的最佳方式,例如使磁性金屬變得沒有磁性,或者改變晶體的電導(dǎo)率。


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飛秒激光脈沖以前所未有的速度,驅(qū)動了半金屬晶體中的電子躍遷(圖片版權(quán):Sam Beaulieu博士)


幾十年來,控制電子排布始終是晶體管研究領(lǐng)域的關(guān)注焦點。但以前嘗試過的各種方式,在速度方面還是沒能達(dá)到理想效果。弗里茨·哈伯研究所物理化學(xué)系主任Ralph Ernstorfer表示:“我們知道諸如溫度或壓力變化之類的外部影響會起到一定的作用,但其過程還是要花費至少幾秒鐘的時間,這對于控制電流還是顯得太慢?!?br/>對于經(jīng)常使用計算機(jī)和智能手機(jī)的人來說,幾秒的等待時間都顯得非常漫長。因此,Ralph Ernstorfer團(tuán)隊的任務(wù)是通過使用激光脈沖,讓材料的特性發(fā)生瞬時轉(zhuǎn)變。研究團(tuán)隊使用了弗里茨·哈伯研究所的激光脈沖設(shè)備,通過向一種半金屬材料(包含了鎢和碲原子)發(fā)射超短脈沖激光,成功將材料電子排列轉(zhuǎn)變的時間縮短至100飛秒。


研究人員發(fā)現(xiàn),晶體受到激光照射后,其內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)會迅速進(jìn)行組合,這就實現(xiàn)了改變材料電導(dǎo)率的效果。團(tuán)隊成員Samuel Beaulieu談到:“研究人員使用了一種新儀器記錄材料特性轉(zhuǎn)變的整個過程,這是一項了不起的研究成果。以往我們只對材料穩(wěn)定態(tài)的電子結(jié)構(gòu)有所了解,這是首次觀測到材料電子結(jié)構(gòu)的變化過程?!?/p>


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費米面概述圖


同時,研究團(tuán)隊還對這種新工藝方法進(jìn)行了建模,從而揭示了材料特性實現(xiàn)瞬時轉(zhuǎn)變的原因。撞擊在材料上的激光脈沖,能瞬時改變材料電子相互作用的方式。因此,激光脈沖也是行業(yè)熟悉的“Lifshitz transition”(費米面拓?fù)湎嘧儯┑脑简?qū)動力。

費米面
費米面是最高占據(jù)能級的等能面,是當(dāng)T=0時電子占據(jù)態(tài)與非占據(jù)態(tài)的分界面。一般來說,半導(dǎo)體和絕緣體不用費米面,而用價帶頂概念。金屬中的自由電子滿足泡利不相容原理,其在單粒子能級上分布幾率,遵循費米統(tǒng)計分布。


在當(dāng)前的固體物理學(xué)中,對費米面的構(gòu)造沒有詳細(xì)闡述。費米面附近的電子對金屬性質(zhì)有重要影響,了解和掌握費米面的構(gòu)造是理解金屬中電子的物理特性的根本問題。


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2016年諾貝爾物理學(xué)獎三位獲獎?wù)咚孛柘?/em>


拓?fù)湎嘧?/strong>
拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個分支,主要研究內(nèi)容是幾何形狀在連續(xù)形變中所不改變的性質(zhì),研究的是“不連續(xù)”的特征。相變是指物質(zhì)在外界條件發(fā)生連續(xù)變化時,從一種“相”突然變成另一種“相”的過程。日常生活中,最常見的“相”是氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。在一些極端條件下,比如在極高的溫度或極低的溫度下,會出現(xiàn)很多奇異的狀態(tài)。


一般物質(zhì)都是按照一定的規(guī)律排列的,比如冰是水分子按照網(wǎng)格排列起來形成的固態(tài)。物理學(xué)上,固態(tài)是一種“相”。冰加熱后就變成了液態(tài)水,那是另一種“相”。這時,水分子的排列依舊是有規(guī)律的,只是發(fā)生了變化。從固態(tài)的冰到液態(tài)的水,這樣的變化就可以稱為“相變”。


拓?fù)湎嘧兙褪窃趦蓚€拓?fù)渲g轉(zhuǎn)變,必須結(jié)合在一起成對地應(yīng)用,不能單獨應(yīng)用。想象一下,如果在你的浴缸里,有兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的水流,但是他們同時出現(xiàn)。拓?fù)湎嘧兙褪敲枋龀蓪Y(jié)合到分離的拓?fù)浼ぐl(fā)的過程。2016年,諾貝爾物理學(xué)獎的三位獲得者,戴維·索利斯(David Thouless)、鄧肯·霍爾丹(Duncan Haldane)和邁克爾·科斯特立茨(Michael Kosterlitz)對于物理學(xué)中拓?fù)淅碚摰倪\用在他們做出發(fā)現(xiàn)的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。


有關(guān)拓?fù)鋵W(xué)原理的基礎(chǔ)性研究,為“超級材料”的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。比如拓?fù)浣^緣體材料是一種邊界上導(dǎo)電,體內(nèi)絕緣體的新型量子材料。導(dǎo)電的邊界態(tài)由于獨特的物理特性,在導(dǎo)電過程中不會發(fā)熱。如果能將拓?fù)浣^緣體材料制成手機(jī)芯片,就有希望解決手機(jī)在充電或長時間使用時的發(fā)燙問題。電從發(fā)電廠到家庭用電的傳輸過程中,存在著大量損耗。如果采用超導(dǎo)材料或者拓?fù)浣^緣體材料,就能大幅降損耗,實現(xiàn)高效節(jié)能。


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