科普專欄 / Information

新方法能在幾飛秒内操控電子

當矽或石墨烯表面受光照後,其内一些電子會激發到高能态,在幾飛秒(千萬億分之一秒)内快速完成一連串反應。而美國麻省理工學院(MIT)的科研人員找到一種新方法,能在光激發電子的前幾飛秒内操控石墨烯中的電子。這種超快電子控制技術能在高能電子互相碰撞之前改變它們的方向,最終有望研制出更高效的光伏裝置和能量采集設備

MIT的物理學副教授帕布羅·賈裡羅-海瑞羅和同事在以往實驗中曾設計過一個極薄的“三明治”微裝置,上下兩層是石墨烯,中間是一層絕緣氮化硼。通過改變電壓和光照強度,他們發現,特定的電壓和波長的光照能在中間層産生較強電流,這表明高能電子在上下石墨烯層之間實現了隧穿且沒有損失太多能量。

研究人員發表在最近出版的《自然·物理學》雜志上的論文稱,他們在新研究中觀察到微裝置電流随着電壓和光波長的改變而變化。用光照射上層石墨烯時,能在幾飛秒内調節電流。施加不同的電壓和不同波長的光,能引導高能電子停留在上層分散能量,或者隧穿氮化硼到達下層與其他電子碰撞分散能量。他們還根據實驗結果繪制了不同電壓和光波長的組合表。

“通常你隻能在大約1000飛秒之後開始行動,而這時超快反應已經發生過了。我們能在幾飛秒内,在高能電子與其他電子互動之前,決定它們去這裡還是那裡。”賈裡羅-海瑞羅說,如果你想讓電子從一層跳到另一層,但隻有藍光子,就必須用這種電壓;如果有綠光子,你就有更多電壓可選。研究人員指出,這種超快控制可能來源于石墨烯本身的性質。因為石墨烯是極薄的單原子層,電子不用跳得太遠。哈佛大學物理學教授菲利普·金說,這一成果為實現基于石墨烯結構的新型光電子與能量采集設備邁出了重要一步。

能量的儲存一直是人類賴以生存的重要的組成部分,随着現代科學的水平不斷提高、手段不斷進化,提高獲取和儲存能量的效率成為科學家一直追求的目标。對此,研發人員已經将科研尺度縮小到質量極小的電子層面。這一次,MIT的研究團隊發現的是用超快的方法控制石墨烯中的電子,這種“操控”能量的新方式最終可能會生成更有效的光和能量的收集裝置。希望科學家再接再厲,讓基于石墨烯結構的能量采集設備在不久的将來成為現實。

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