熱電子的新發現，未來手機「煲電話」十幾小時不會發燙

晶元遭遇摩爾定律瓶頸？太陽能電池效率提升困難？這些困擾產業界的瓶頸，都源自同一個物理難題——電子發熱。

經過五年多攻關，中國科學院上海技術物理研究所聯合復旦大學的科學家，自主研製出高靈敏度儀器，發現了電子在半導體材料晶格中奔跑時發熱的奧秘。如能利用這一發現，重新設計集成電路、光伏發電等元器件，有望使它們的性能得到大幅提升，比如手機「煲電話」十幾小時也不會發燙罷工。近日，美國《科學》雜誌發表了相關論文。

電子發熱耗散能量？因為它會如瀑布般跌落

白熾燈泡中的鎢絲，總是在最細的地方最先熔斷，因為那裡的電阻最大——在奔跑中受到阻礙的電子就會損失能量，大量發熱，甚至使整個燈泡熱到燙手。「電阻越大的地方，熱量越多」是中學物理教科書里的金科玉律。

電子在原子構成的「河道」中奔跑時，因各種碰撞跌落而損失能量並發熱，這也是集成電路產業最頭疼的問題之一——隨著晶元越做越小，晶元耗能發熱日益劇烈，處理效率提升困難。

這個從386晶元時代就存在的難題，科研人員一直不明白問題究竟出在哪裡。「這就好像很多癌症沒有被發現，是因為沒有靈敏的檢測手段。」論文通訊作者之一、技物所所長陸衛研究員說，為了搞清楚電子在晶元中發熱的過程，他們研製出了世界上靈敏度最高的熱電子紅外探測儀，發現了納米尺度下，電子不同於宏觀世界中的奇特現象：當電子通過狹窄的「河道」時，並未如預期地發熱，而是在快速跑出百納米之後才大量發熱。

這顯然和教科書相違背！復旦大學安正華研究員介紹，經過仔細分析發現，原來電子在通過大電阻的「河道」狹窄處時，由於速度加快，進入了與平穩流動的平衡態不同的激發態，而再次進入正常「河道」時，又會從激發態回到平衡態，此刻就會釋放大量熱能——就好比一道瀑布，上游和下游都是平緩的河水，只有在跌落與入潭的過程中，水滴所處的運動狀態與沸水相似。

「這個有趣的發現說明，電子並非在電阻最大出發熱，而是在從『電阻瀑布』跌落後才損失能量。」陸衛說，如果可以利用這一發現，設計新的元器件，讓電子在跌落電阻「瀑布」的「谷底」前被接住，就能操縱激發態的電子，讓它們盡量少損失能量，減少發熱的同時，還能提高晶元處理效率——這為設計更理想的手機晶元提供了新的可能途徑。

同理，利用新發現來設計太陽能光伏電池，就有可能突破目前發電效率停留在20%左右的瓶頸，甚至可能超過90%。

相信學生能力，五年不發論文專攻難題

《科學》雜誌審稿人給予了這篇論文以很高的評價，認為「作者報道了非常原創性的遠離平衡態電子的局域溫度測量工作」「對介觀物理和量子電路的信息處理具有重要的價值」。

因為，當微電子器件尺度按摩爾定律進入百納米尺度時，電子的運動規律就會從平衡態向非平衡態變化。而人類對於電子運動規律的認識也將面臨新的挑戰。美國基礎能源科學顧問委員會的一份報告就將「對電子非平衡態，尤其是遠離平衡態的表徵和操控」列為當前科學上面臨的五大挑戰之一。

「研製出世界最先進的熱電子顯微鏡，是得到這個新發現的關鍵。」陸衛的博士生、論文第一作者翁錢春為此付出了五年多的辛勤努力。如今在東京大學做博士後的他，曾經五年沒有發一篇與該工作相關的論文，為了守實驗、做研究，直接就住進了實驗室。

「東大接受翁錢春做博士後時，這篇論文還沒發表，但對方看中了他的實際能力。」陸衛說，這台顯微鏡的特點就是可以一個個像素地仔細觀察電子在通過狹窄「河道」之後所發出的紅外波段的光子——只有處於非平衡態的電子才會發出幾個光子的微弱信號，所以平時這些信號早就被淹沒在平衡態電子的洪流之中。

在整個團隊的努力下，這台顯微鏡從材料、設計到製造完成，全部由國內自主完成。

在一定程度上擺脫現有教育體制的限制，鼓勵年輕學子在最富創造力的年齡挑戰世界難題，這既需要導師的心胸視野，也需要學生的淡定堅持。這一新成果又為創新人才的培養添上了精彩一筆。

來源：文匯報

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