圖像中的紅點(diǎn)是氧原子，黃點(diǎn)是硅原子 （中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）奧地利維也納技術(shù)大學(xué)與日本筑波大學(xué)研究人員通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬證明，只需用激光照一下，不到一秒鐘石英玻璃就會(huì)具有金屬的性質(zhì)。研究人員指出，利用這種效應(yīng)來(lái)制造邏輯開關(guān)，會(huì)讓現(xiàn)有微電子設(shè)備的速度大大提高。相關(guān)論文發(fā)表在8月18日《物理評(píng)論快報(bào)》上。
此前德國(guó)科學(xué)家曾做過(guò)一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)用激光照射石英玻璃時(shí)，能在其中檢測(cè)到電流，而照射之后玻璃幾乎立刻恢復(fù)為先前狀態(tài)。
通常石英玻璃都是絕緣的，不能導(dǎo)電，但只要用超短激光脈沖照一下，玻璃的電學(xué)屬性就會(huì)在幾飛秒（1飛秒＝10-15秒）內(nèi)發(fā)生根本改變。如果激光脈沖足夠強(qiáng)，其中的電子就能自由移動(dòng)。在一段極短的時(shí)間內(nèi)，石英玻璃會(huì)變得像金屬一樣，不透明而且能導(dǎo)電。這種性質(zhì)的轉(zhuǎn)變能瞬間完成，由此可以作為一種超快光基電子設(shè)備。
從量子力學(xué)角度，電子在固體材料中可同時(shí)處于不同狀態(tài)：它可以緊緊綁在某個(gè)原子附近，也可以處在一個(gè)較高能態(tài)。較高能態(tài)讓它可以在兩個(gè)原子之間運(yùn)動(dòng)，就像把一個(gè)小球放在一個(gè)坑里：小球的能量很小時(shí)，只能呆在那個(gè)坑里，如果它獲得了足夠動(dòng)能，就能自由運(yùn)動(dòng)。
論文第一作者、維也納技術(shù)大學(xué)理論物理學(xué)研究所的喬治·沃奇特說(shuō)：“激光脈沖的能量大大改變了石英中的電子狀態(tài)，它不僅能把能量轉(zhuǎn)移給電子，還能完全打亂材料中電子態(tài)的整個(gè)結(jié)構(gòu)。”
目前所用的晶體管，每次開關(guān)都要有大量載荷子運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到新的平衡態(tài)，這會(huì)耗費(fèi)時(shí)間。如果用激光脈沖來(lái)改變材料性質(zhì)，情況就會(huì)完全不同，這里的線路換態(tài)過(guò)程來(lái)自電子結(jié)構(gòu)和原子電離的改變。論文合著者克里斯托弗·里默說(shuō)，在已知的固態(tài)物理學(xué)中，這些效應(yīng)發(fā)生的速度是最快的過(guò)程之一。晶體管的發(fā)動(dòng)時(shí)間通常為皮秒級(jí)（1皮秒＝10-12秒），而用激光脈沖改變電流比它快一千倍。
“利用計(jì)算機(jī)模擬，我們能通過(guò)慢動(dòng)作來(lái)研究事物隨時(shí)間的演變，觀察材料中究竟發(fā)生了什么。”維也納技術(shù)大學(xué)理論物理學(xué)研究所教授喬吉姆·伯格多弗說(shuō)，但要模擬這種效應(yīng)極為復(fù)雜，必須同時(shí)考慮到許多量子過(guò)程，如材料的電子結(jié)構(gòu)、激光與電子相互作用、電子間相互作用等。
計(jì)算顯示，超快電流會(huì)對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵產(chǎn)生顯著影響，因此研究人員還會(huì)用不同材料來(lái)實(shí)驗(yàn)，以觀察怎樣才能更有效地利用這種效應(yīng)。
總編輯圈點(diǎn)
超短激光脈沖與透明介質(zhì)之間相互作用非常有趣，可能產(chǎn)生光效應(yīng)、熱效應(yīng)、電效應(yīng)和結(jié)構(gòu)變化等，我們要做的就是找出發(fā)生這些效應(yīng)的原理，并對(duì)現(xiàn)象加以應(yīng)用。本研究選擇了電效應(yīng)和石英玻璃作為突破口，玻璃具有均質(zhì)、透明、能自由地溶入各種離子及非常容易加工形成各種復(fù)雜的形狀等特征。如果能添加稀有金屬等元素對(duì)玻璃的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行有選擇性的修飾，相信還有可能實(shí)現(xiàn)前所未有的功能。
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