物理学家利用光在万亿分之一秒内控制半导体

一项经过同行评审的研究报告了纳米电子学中超快调制技术的发展。

比勒费尔德大学和莱布尼茨固体材料研究所德累斯顿分所（IFW Dresden）的物理学家们开发出一种新技术，利用超短光脉冲操控原子级厚度的半导体材料。他们的研究成果发表在《自然-通讯》期刊上，有望促成以光为控制机制、在极高速度下运行的光电子元件的开发，为下一代技术打开大门。

该团队通过设计纳米级天线实现了这一目标。这些天线将太赫兹光（Terahertz light）转化为二硫化钼（MoS₂）等原子级薄材料内部的垂直电场。太赫兹辐射位于电磁波谱中红外线与微波频率之间。得益于这种新颖的天线设计，产生的电场强度可达每厘米数百万伏特。

项目负责人、比勒费尔德大学物理学教授德米特里·图尔钦诺维奇（Dmitry Turchinovich）博士解释道：“传统上，用于开关晶体管和其他电子器件的此类垂直电场是通过电子门控（electronic gating）施加的，但这种方法本质上受限于相对较慢的响应时间。我们的方法利用太赫兹光本身在半导体材料内部产生控制信号 —— 从而实现了业界兼容的、光驱动的、超快的光电子技术，这在之前是不可能的。”

超快材料控制

该技术允许在小于一皮秒（即万亿分之一秒）的时间尺度上对材料的电子结构进行实时控制。科学家们通过实验成功证明，可以利用光脉冲选择性地改变材料的光学和电子特性。

该基本概念、实验实施及理论建模均在比勒费尔德大学完成。该研究的第一作者、当时在图尔钦诺维奇教授团队担任玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里学者（Marie Skłodowska Curie Fellow）的平冈朋贵（Tomoki Hiraoka）博士在项目中发挥了关键作用。“看到仅由太赫兹光脉冲就能诱导出如此强烈且相干的效果，非常令人欣慰，”平冈朋贵说。

产生此效应所需的复杂3D-2D纳米天线由安迪·托马斯（Andy Thomas）博士领导的团队在IFW德累斯顿制造。“我们付出了大量努力来开发最优的器件 —— 在达到预期性能之前，我们不得不制造并测试了许多不同的结构，”安迪·托马斯说。

在未来技术中的应用

这一进展有望催生超快信号控制器件、电子开关和传感器。此类元件应用于数据传输、相机和激光系统。潜在的应用领域包括通信系统、计算、成像和量子技术。

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