文/Sally Cole Johnson

最近，美國堪薩斯大學(xué)超快激光實(shí)驗(yàn)室的一個研究團(tuán)隊(duì)成功地捕捉到了石墨烯內(nèi)電子的實(shí)時彈道傳輸，這可能會在未來產(chǎn)生更快、更強(qiáng)大、更節(jié)能的電子設(shè)備。

電子運(yùn)動往往會被與固體中其他粒子的碰撞所打斷，大約每秒會被打斷100億到1000億次。這些碰撞會減慢電子的運(yùn)動速度，導(dǎo)致能量損失，并產(chǎn)生多余的熱量。如果能夠阻止這些碰撞，那么電子就可以在固體中不受阻礙地移動，就像彈道導(dǎo)彈在空中飛行一樣。

堪薩斯大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)教授趙輝解釋說：“超快激光器提供了超高的時間分辨率，是速度最快的實(shí)驗(yàn)工具之一。電子在固體中的彈道傳輸發(fā)生在很短的時間尺度上，因此通過超快激光研究彈道傳輸來追蹤電子運(yùn)動，堪稱一種完美的匹配方法。”

之前的電學(xué)測量已經(jīng)揭示了彈道傳輸?shù)奶卣鳎?ldquo;但是在真實(shí)空間中實(shí)時追蹤彈道運(yùn)動是一件很酷的事情。這為監(jiān)測固體中的電子提供了一種非侵入性和非破壞性工具。”趙輝說道。

圖1：趙輝在堪薩斯大學(xué)超高速激光實(shí)驗(yàn)室以及他的團(tuán)隊(duì)裝置。（圖片來源：堪薩斯大學(xué)）

全光學(xué)超快激光技術(shù)

該團(tuán)隊(duì)觀察了石墨烯中的彈道運(yùn)動，石墨烯由單層碳原子組成，形成六邊形晶格結(jié)構(gòu)。石墨烯被譽(yù)為一種神奇的材料，因?yàn)樗�不同尋常的特性而有望�?shí)現(xiàn)更快、更高效的下一代電子設(shè)備。

趙輝表示：“光為電子提供能量，使其能夠釋放出來自由地移動，從而在電子原來的位置處留下一個空穴。”但是石墨烯中的電子在回落到空穴中之前只能移動大約萬億分之一秒，這使得追蹤電子的運(yùn)動成為一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

為了解決這一問題，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一種四層人工結(jié)構(gòu)，即兩個石墨烯層由一層二硫化鉬和一層二硒化鉬隔開。趙輝說：“通過在兩個石墨烯層之間插入兩種單層半導(dǎo)體材料，我們將電子和空穴分離——將電子引導(dǎo)到一個石墨烯層，將空穴保留在另一個石墨烯層中，這樣電子就不會很快回落到空穴中，從而給了我們足夠的時間窗口來分析電子運(yùn)動的特性。”

負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的博士生Ryan Scott說，這兩層總厚度僅為1.5nm的分子，“迫使電子在大約50萬億分之一秒的時間內(nèi)保持移動”。對于配備了時間分辨率高達(dá)0.1萬億分之一秒的超快激光器的研究人員來說，電子的這段運(yùn)動時間已經(jīng)足夠用來跟蹤它們的運(yùn)動了。

該團(tuán)隊(duì)的測量裝置是一種基于超快激光器的瞬態(tài)吸收顯微鏡，能夠以納米級的空間分辨率解析電子的運(yùn)動。趙輝說：“我們通過石墨烯中的移動電子對光反射的影響，來追蹤電子——電子會略微增加其所到位置處樣品的反射率。這使我們能夠在電子移動時使用激光脈沖去跟蹤它們。”

換言之，他們使用一種被稱為“泵浦脈沖”的緊密聚焦激光脈沖，來釋放樣本中的電子；然后通過用另一種被稱作“探測脈沖”的聚焦激光脈沖，繪制樣本的反射率來追蹤電子。

為了探測到如此微小的變化，他們一次釋放了20000個電子，并使用探針激光反射樣品并測量反射率。該團(tuán)隊(duì)對每個數(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)該過程8000萬次。圖2顯示了微小電子的位移與時間圖的關(guān)鍵結(jié)果，直線意味著以恒定速度運(yùn)動。因此，研究人員得出結(jié)論，電子平均以每秒22公里的速度做彈道運(yùn)動，大約20萬億分之一秒后，撞上某物而終止彈道運(yùn)動。

與電探測技術(shù)相比，該團(tuán)隊(duì)的全光超快激光技術(shù)提供了探索彈道和相干區(qū)內(nèi)電子傳輸所需要的高分辨率。

該團(tuán)隊(duì)的工作中最令人驚訝的一方面是，他們的初步測試證實(shí)了他們的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。“電子確實(shí)通過兩個單層與空穴分離，并在更長的時間內(nèi)保持移動。”趙輝說，“所以我們有很好的機(jī)會跟蹤它們的彈道運(yùn)動。我們的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研究范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電荷轉(zhuǎn)移長達(dá)十年之久，所以很高興看到我們可以使用這些人工結(jié)構(gòu)來精細(xì)控制電子，使它們保持更長的移動時間。”

這項(xiàng)研究最大的挑戰(zhàn)是什么呢？由于光信號較弱，研究小組不得不對多次測量結(jié)果進(jìn)行平均，以獲得結(jié)論性特征。趙輝說：“這需要實(shí)驗(yàn)裝置在很長一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定。這需要一些技巧和乏味的工作才能完成。”

邁向彈道傳輸

真正的好消息是：彈道電子傳輸速度快，沒有散射（能量損失），因此使用彈道傳輸?shù)碾娮釉O(shè)備可能會更快，功能更強(qiáng)大，更節(jié)能，從而減少延遲和熱量問題。

趙輝說：“現(xiàn)在我們有了監(jiān)測彈道電子運(yùn)動的‘雷達(dá)槍’，我們將嘗試將其作為一種工具，去研究如何用電場和其他手段控制電子運(yùn)動。我們還想探索新的設(shè)計(jì)，以延長電子的彈道傳輸長度。這項(xiàng)研究中的樣品保持在室溫下。將樣品冷卻到較低溫度，也可以延長其彈道長度。”

該項(xiàng)目得到了美國能源部的支持，Ryan Scott的工作得到了堪薩斯大學(xué)Redeker獎學(xué)金和研究生研究獎的支持。