科学家利用太赫兹光超短脉冲控制原子级薄半导体

今日新闻 2025年11月02日 10:24 7 admin

德国物理学家使用光（而非电线）在万亿分之一秒内切换超薄材料。

德国科学家发现了一种方法，可以利用太赫兹光的超短脉冲（而非传统的电信号）来控制原子级薄的半导体。

这为电子元件（如晶体管或传感器）开辟了新道路，这些元件由光（而非电线或缓慢的电子设备）控制，工作速度可快数千倍。为实现这一点，研究人员使用了太赫兹光（一种位于红外线和微波之间的电磁辐射）。

研究人员解释说，这种光速度极快，能够以常规电子学无法实现的方式“特殊激发”材料。另一个重要组成部分是纳米天线，这是一种微小的3D-2D结构，旨在捕获太赫兹光并将其直接转化为半导体内部的垂直电场（穿过材料）。

它们产生的电场极其强大（每厘米数百万伏特），同样也极其快速。然而，这项发现的核心在于原子级薄的半导体。

原子级薄半导体

像二硫化钼（MoS₂）这样的材料只有几个原子厚度。它们已经在超薄电子器件、显示器和太阳能电池领域得到了研究应用。

通常，要改变半导体的行为（例如切换晶体管），需要通过传统电路施加电压。但这个过程很慢，受限于微波速度，并且依赖于笨重的电子元件。

为此，新方法利用光进行切换。这显然是超快速的，在飞秒到皮秒量级（万亿分之一秒）。

它也是非接触式的，因此不需要物理连接（如电线）。这意味着它们可以更节能，并有可能进一步微型化。

为验证他们的想法，该团队尝试在实验室中证明这一概念。他们发现，当用太赫兹光脉冲照射MoS₂时，该材料的电子和光学特性发生了变化。

研究团队解释说，这表明他们正在实时控制它。具体而言，他们观察到了“斯塔克位移”（Stark shift），即材料中激子（电子-空穴对）的能级发生了变化。

他们解释说，这证明了他们强大的光诱导电场在起作用。斯塔克效应是一种众所周知的现象，即电场会改变原子或材料中电子的能级。观察到这一现象意味着太赫兹场既强大又直接。

激动人心的未来应用

这也意味着这种变化无需电线或传统电路即可发生，并且响应是相干的（控制良好且可重复）。研究团队解释说，这一发现可能带来一些令人兴奋的可能性。

例如，它可用于开发使用光控晶体管的下一代计算机。该发现还可能催生更快的数据传输系统以及超快相机或传感器。

它还可用于制造可通过光学手段操控的量子计算组件，或开发更小、更快、可能更节能的设备。

项目负责人、比勒费尔德大学物理学教授德米特里·图尔奇诺维奇博士解释道：“传统上，用于切换晶体管和其他电子设备的此类垂直电场是通过电子门控施加的，但这种方法从根本上受限于相对较慢的响应时间。”

他补充道：“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 —— 从而开创了一种工业兼容的、光驱动的、超快的光电技术，这在以前是不可能的。”

您可以在《自然-通讯》期刊上查看这项研究。

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