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

近日據(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(dòng)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(yùn)算速度是核心問題，而快速計(jì)算技術(shù)的關(guān)鍵組件是晶體管。作為邏輯運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)“極快開關(guān)”?，F(xiàn)在，德國研究人員通過運(yùn)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(xiàng)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。

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(diǎn)。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(huì)起到一定的作用，但其過程還是要花費(fèi)至少幾秒鐘的時(shí)間，這對于控制電流還是顯得太慢?！?/p>

對于經(jīng)常使用計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)的人來說，幾秒的等待時(shí)間都顯得非常漫長。因此，Ralph Ernstorfer團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是通過使用激光脈沖，讓材料的特性發(fā)生瞬時(shí)轉(zhuǎn)變。研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(huì)迅速進(jìn)行組合，這就實(shí)現(xiàn)了改變材料電導(dǎo)率的效果。團(tuán)隊(duì)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(gè)過程，這是一項(xiàng)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。”

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)瞬時(shí)轉(zhuǎn)變的原因。撞擊在材料上的激光脈沖，能瞬時(shí)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(fèi)米面拓?fù)湎嘧儯┑脑简?qū)動(dòng)力。