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超短激光脉冲 瞬间点玻成“金”

发明科技控中国仪表网2014年08月28日 15:58人气:5680


  【中国仪表网 发明科技控】奥地利维也纳技术大学与日本筑波大学研究人员通过计算机模拟证明,只需用激光照一下,不到一秒钟石英玻璃就会具有金属的性质。研究人员指出,利用这种效应来制造逻辑开关,会让现有微电子设备的速度大大提高。相关论文8月18发表在世界著名的物理学顶级学术期刊《物理评论快报》上日。
  
  此前德国科学家曾做过一项实验。当用激光照射石英玻璃时,能在其中检测到电流,而照射之后玻璃几乎立刻恢复为先前状态。据美国物理学家网站报道,本研究从理论上探讨了在绝缘体中,超短激光脉冲诱导的超快电流是怎样产生的。
  
  通常石英玻璃都是绝缘的,不能导电,但只要用超短激光脉冲照一下,玻璃的电学属性就会在几飞秒(1飞秒=10-15秒)内发生根本改变。如果激光脉冲足够强,其中的电子就能自由移动。在一段极短的时间内,石英玻璃会变得像金属一样,不透明而且能导电。这种性质的转变能瞬间完成,由此可以作为一种超快光基电子设备。
  
  从量子力学角度,电子在固体材料中可同时处于不同状态:它可以紧紧绑在某个原子附近,也可以处在一个较高能态。较高能态让它可以在两个原子之间运动,就像把一个小球放在一个坑里:小球的能量很小时,只能呆在那个坑里,如果它获得了足够动能,就能自由运动。
  
  该论文第一作者、维也纳技术大学理论物理学研究所的乔治-沃奇特说:“激光脉冲的能量大大改变了石英中的电子状态,它不仅能把能量转移给电子,还能完全打乱材料中电子态的整个结构。”
  
  目前所用的晶体管,每次开关都要有大量载荷子运动,直至达到新的平衡态,这会耗费时间。如果用激光脉冲来改变材料性质,情况就会完全不同,这里的线路换态过程来自电子结构和原子电离的改变。论文合著者克里斯托弗-里默说,在已知的固态物理学中,这些效应发生的速度是最快的过程之一。晶体管的发动时间通常为皮秒级(1皮秒=10-12秒),而用激光脉冲改变电流比它快一千倍。
  
  “利用计算机模拟,我们能通过慢动作来研究事物随时间的演变,观察材料中究竟发生了什么。”维也纳技术大学理论物理学研究所教授乔吉姆·伯格多弗说,但要模拟这种效应极为复杂,必须同时考虑到许多量子过程,如材料的电子结构、激光与电子相互作用、电子间相互作用等。
  
  计算显示,超快电流会对材料的晶体结构和化学键产生显著影响,因此研究人员还会用不同材料来实验,以观察怎样才能更有效地利用这种效应。
  
  超短激光脉冲与透明介质之间相互作用非常有趣,可能产生光效应、热效应、电效应和结构变化等,我们要做的就是找出发生这些效应的原理,并对现象加以应用。本研究选择了电效应和石英玻璃作为突破口,玻璃具有均质、透明、能自由地溶入各种离子及非常容易加工形成各种复杂的形状等特征。如果能添加稀有金属等元素对玻璃的微观结构进行有选择性的修饰,相信还有可能实现前所未有的功能。
(本文来源:科技日报转载请注明出处
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