近期據(jù)外媒novuslight消息，德國(guó)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(guò)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(lái)，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(wèn)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(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)“極快開關(guān)”?，F(xiàn)在，德國(guó)研究人員通過(guò)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(méi)有磁性，或者改變晶體的電導(dǎo)率。

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）

幾十年來(lái)，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(guò)的各種方式，在速度方面還是沒(méi)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(guò)程還是要花費(fèi)至少幾秒鐘的時(shí)間，這對(duì)于控制電流還是顯得太慢。”
對(duì)于經(jīng)常使用計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)的人來(lái)說(shuō)，幾秒的等待時(shí)間都顯得非常漫長(zhǎng)。因此，Ralph Ernstorfer團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是通過(guò)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(guò)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(guò)程，這是一項(xiàng)了不起的研究成果。以往我們只對(duì)材料穩(wěn)定態(tài)的電子結(jié)構(gòu)有所了解，這是首次觀測(cè)到材料電子結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程?！?/p>

費(fèi)米面概述圖

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)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。

費(fèi)米面
費(fèi)米面是最高占據(jù)能級(jí)的等能面，是當(dāng)T=0時(shí)電子占據(jù)態(tài)與非占據(jù)態(tài)的分界面。一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體和絕緣體不用費(fèi)米面，而用價(jià)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(jí)上分布幾率，遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布。

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

2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三位獲獎(jiǎng)?wù)咚孛柘?/em>

拓?fù)湎嘧?/strong>
拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，主要研究?jī)?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(shí)，從一種“相”突然變成另一種“相”的過(guò)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(huì)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(lái)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(shí)，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€(gè)拓?fù)渲g轉(zhuǎn)變，必須結(jié)合在一起成對(duì)地應(yīng)用，不能單獨(dú)應(yīng)用。想象一下，如果在你的浴缸里，有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的水流，但是他們同時(shí)出現(xiàn)。拓?fù)湎嘧兙褪敲枋龀蓪?duì)結(jié)合到分離的拓?fù)浼ぐl(fā)的過(guò)程。2016年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(duì)于物理學(xué)中拓?fù)淅碚摰倪\(yùn)用在他們做出發(fā)現(xiàn)的過(guò)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(jí)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(dú)特的物理特性，在導(dǎo)電過(guò)程中不會(huì)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(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)的發(fā)燙問(wèn)題。電從發(fā)電廠到家庭用電的傳輸過(guò)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(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。