科學家們發現了一種利用光可以在納米空間尺度和飛秒時間尺度上控制電子的新機制

電子設備的流行改變了21世紀的生活。 這些器件的核心是電子在材料上的運動。今天，科學家們繼續探索操縱和移動電子的新方法，以尋求製造速度更快、功能更強的設備。

來自沖繩科學技術大學研究生院（OIST）的Keshav Dani教授領導的飛秒光譜學科的科學家們展示了一種新機制，這種機制利用光可以在納米空間尺度和飛秒（10-15 秒）時間尺度上控制電子。

該研究結果發表在Science Advances雜誌上（「Pulling apart photoexcited electrons by photoinducing an in-plane surface electric field」）。

科學家將飛秒光譜和電子顯微技術結合起來觀察電子在短的時間和空間尺度上的運動。（圖片來源：飛秒光譜學科，沖繩科學技術大學研究生院）

當在半導體材料上施加電壓時，就會產生電場，該電場引導電子流過材料。最近在沖繩科學技術大學研究生院博士畢業的E Laine Wong博士和她的同事們利用一種稱為表面光電壓效應的物理現象，在材料表面誘導電場，使得能引導電子向相反的方向流動。

表面光電壓效應是指通過改變光強度來改變材料的表面電位。「通過利用激光束的非均勻強度分布，我們操縱局部表面電位，在光激發點內產生一個空間變化的電場。這使我們能夠控制光斑內的電子流動。」E Laine說。

E Laine和她的同事結合飛秒光譜學與電子顯微鏡技術，製作了一部關於飛秒時間尺度上電子流動的電影。

通常，在飛秒光譜學中，首先使用被稱為「泵」的超快激光束來激發樣品中的電子。然後將被稱為「探針」的第二超快激光束照射在樣品上以跟蹤受激電子的演化過程。

這種技術，也稱為泵浦探測光譜，使科學家們能夠在很短的時間內研究激發電子的動力學。然後，結合電子顯微鏡進一步為科學家提供了即使在激光束點的小範圍內也能直接成像激發電子的運動所需的空間解析度。

「這兩種方法結合了很高的空間和時間解析度，這使得我們能夠錄製一部被引導向相反方向流動的電子的電影。」E Laine說。

該研究的發現也有望控制超過光的解析度極限的電子的移動，通過利用焦點位置激光束的空間強度變化。因此，該機制可能用於操作納米級電子電路。

Dani教授和他的團隊正在努力構建基於這種新發現機制的功能性納米級超快設備。

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