滬科學家發現「湍急電流」中電子會「飛」，最高溫度並非在想像中電流最大位置！

在「湍急的電流」中，

電流最大位置是否溫度最高之處呢？

近日，中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室陸衛研究員和復旦大學安正華研究員的科研團隊共同合作，首次揭示了在100納米尺度結構中，電子溫度最高之處並非在電流最大位置，而是明顯地向電子流動的方向偏離了。該重大發現於日前在《科學》雜誌在線發表，從理論和實驗兩方面證實了這種奇異特性就來自「熱」電子的非平衡態特徵。

「電子的這種新奇運動行為可以與常見的水流特性做一種近似的形象比對。」陸衛研究員介紹，在平坦的小河中，水流處於平衡態，緩慢流動的水與地貌相依相存，沒有明顯水花四濺的雜訊特徵；然而，一旦通過河床地貌跳崖式下降處，也就是 「飛流直下三千尺」時，水流會在重力作用下被加速，衝擊到河床低谷處就出現了水花四濺的巨大雜訊特徵，形成了非平衡態。他們發現，同樣地，在納米尺度下，強電場形成了對電子很大的加速度，出現了「湍急的電流」，電子也會出現類似沸騰的非平衡狀態——彷彿飛了起來。「實驗發現，電子溫度最高之處並非在電流最大位置，而是明顯地向電子流動的方向偏離了，最高可達約1700度。」安正華研究員說。

陸衛研究員（右）和安正華研究員（左）

我國每年要花費2千多億美金進口集成電路，遠遠超過原油進口。隨著微電子器件尺度按摩爾定律不斷向納米尺度減小，人類對於電子運動規律的認識將面臨從平衡態理論向非平衡態理論的發展。美國基礎能源科學顧問委員會指出，當前科學上面臨的五大挑戰之一就是對非平衡態尤其是遠離平衡態的表徵和操控的研究。

信息化時代本質上得益於人類在固體材料中對電子行為的調控能力，但迄今為止器件的應用仍局限於近平衡狀態的「冷」電子。對於電子的非平衡態特徵下的運動行為，特別是將電子運動行為從其所依附的背景干擾下提取出來，對於認識和操控非平衡「熱」電子進而增強器件功能有著重要作用。比如，目前硅的光電轉化效率還很低，大概只有16%，很多能量轉化成了熱能。未來，藉助這一發現，對於後摩爾時代納米器件的熱管理與能源效率提升，以及大幅提升太陽能電池等光電轉換效率，都有著可期的應用前景。

正如在晴朗的天空下，人們難以用肉眼觀測到星星，對非平衡態下熱電子的實驗檢測長期以來缺少直接觀測的手段，在技術上具有極大的挑戰。該科研團隊通過6年的攻關自主研發了超高靈敏度的探測器，通俗地說也就是熱電子顯微鏡，成為了獲得該重大發現的關鍵手段。

《科學》雜誌4位審稿人一致通過對該論文的評審，其中一位審稿人認為該研究報道了非常原創性的遠離平衡態的電子局域溫度測量實驗工作，對物理和量子電路的信息處理具有重要的價值，關注半導體中非平衡態過程研究的眾多科學家將受益於該工作。

來源：上觀新聞

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