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科学家首次观测到阿秒级电子震荡 有望将电子产品速率提高几个数量级

2016年05月31日14:51 | 我来说两句(人参与) | 保存到博客
  【据《科学日报》2016年5月23日报道】光波可能驱动未来电子产品的发展。光波可在十亿分之一秒内震荡一百万次,即振荡频率高达拍赫兹(1PHz=1015Hz)级别,比目前的电子器件运行频率高数十万倍。但要开发出这样的电子产品,需要对超快光场中亚原子尺度的电子运动具有深度了解。由德国马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)、慕尼黑大学,美国佐治亚州立大学,日本筑波大学等组成的国际研究团队近期发表文章(DOI: 10.1038/nature17650),报告了他们创新性地将试验和理论技术相结合,首次成功观测到这一运动。电子运动能够储存、处理和传输信息,由此构成了电子学的基础。最先进的电子产品处理频率已经达到了数十亿赫兹,但由于在开关转换的过程中热积累严重,处理频率难以大幅度提高。光的电场方向转换频率极高,并且电子可以在固体中移动。这意味着,如果能够深入理解光诱导电子的运动及其对热积累的影响,光波就可以构成未来电子产品的基础。德国MPQ阿秒激光实验室以及慕尼黑大学的研究人员发现,在光学频率下操纵物质的电子特性是可行的。在后续实验中,研究人员将瞬时功率极强的飞秒激光脉冲(1飞秒=10-15秒)照射到二氧化硅玻璃中。光脉冲只包括一个单一的强振荡周期,因此,电子仅左右震荡一次。这样研究人员首次观测到脉冲激光从薄玻璃片通过后光场的全部瞬时特性,掌握阿秒量级时间内电子的动态。实验表明,电子发生震荡反应与光射入只有数十阿秒(1阿秒=10-18秒)的延迟,能量在这段延迟时间内完成了在光波和物质之间的传递。既然测量一个振荡周期内光与物质能量交换的参数是可行的,那么未来也可以利用这一方法来优化超快信号的处理过程。当光脉冲消失后,可逆交换的能量(变成废热)越少,未来就越适合用于制作光场驱动的电子器件。为了掌握观察到的现象,并确定最佳的实验参数,研究团队在日本筑波大学进行了精确模拟。筑波大学拥有基于第一性原理开发的第四代超级计算机,可以前所未有的精度来计算固体中电子的运动。研究者成功地通过调整光场的振幅以优化能量消耗。在特定的场强条件下,能量在振荡周期的前半部分从光场传递到固体中,而在振荡周期的后半部分几乎全部从固体中释放出来。这表明,未来光驱动电子产品的转换介质具有不产生废热的潜力。玻璃和光之间的“冷关系”可给显著加速电子信号与数据处理提供新的可能性,并将其推向最终的前沿。(中国船舶工业综合技术经济研究院 布冬 丁宏)
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