从绝缘体到导体

从绝缘体到导体

在过去的几十年里,计算机变得越来越快,硬盘和存储芯片已经达到了巨大的容量。但这种趋势不能永远持续下去:我们已经遇到了物理限制,这将阻止硅基计算机技术从这一点获得任何令人印象深刻的速度增长。研究人员特别乐观地认为,技术进步的下一个时代将始于开发新的信息处理材料和技术,这些技术将电子电路与光学电路相结合。柏林的马克斯出生研究所的Misha Ivanov和莫斯科的俄罗斯量子中心的科学家领导的一个研究小组利用短的激光脉冲,揭示了在这些新材料中发生的极其迅速的过程。他们的研究成果发表在著名杂志《自然光子学》上。

固态物理中现代材料研究特别感兴趣的是“强关联系统”,即这些材料中电子间的强相互作用。磁铁就是一个很好的例子:磁铁中的电子在材料内部的自旋方向上排列,产生磁场。但是还有其他完全不同的结构命令值得注意。例如,在所谓的莫特绝缘体中,一类材料正在被深入研究,电子应该自由流动,因此材料应该能够导电,也能导电。但是这些强相关物质中电子之间的相互作用阻碍了它们的流动,所以材料的行为就如同绝缘体。

通过用强烈的激光脉冲扰乱这一秩序,物理性质可以发生戏剧性的变化。这可以比作从固体到液体的相变:例如,冰融化,坚硬的冰晶转化为自由流动的水分子。同样地,当外部激光脉冲迫使其结构顺序发生相变时,强相关物质中的电子会自由流动。这样的相变将使我们能够为下一代电子器件开发全新的开关元件,这些器件比当今晶体管更快更节能。从理论上讲,通过用轻脉冲“涡轮增压”他们的电子元件,计算机的速度可以提高一千倍左右。

研究这些相变的问题是,它们的速度非常快,因此很难“在行动中捕捉到它们”。到目前为止,科学家们只能表征材料的状态之前,这种相变后。研究人员瑞E·F·席尔瓦,Olga Smirnova,和柏林最大的生所,然而Misha Ivanov已经发明了一种方法,将在真正意义上,揭示过程。他们的理论包括在材料上发射极短的、量身定做的激光脉冲——只有在激光最新发展的情况下,才能在适当的质量下产生最近的脉冲。然后,观察材料对这些脉冲的反应,看看材料中的电子是如何激发运动的,就像钟一样,在特定频率下发出共振,就像入射光的谐波一样。

“通过分析这种高谐波谱,我们可以第一次观察到这些强相关物质‘活’中的结构顺序的变化,”马克斯出生研究所的论文的第一作者芮思律阿说。激光源,能够有针对性地触发这些转变只提供从最近。激光脉冲,即必须充分强大的和非常短的时间–对飞秒级(一秒的百万分之第十亿)。

在某些情况下,只需要一次光的振荡就能破坏材料的电子顺序,并将绝缘体变成金属导体。柏林最大研究所的科学家们是世界上超短激光脉冲领域的顶尖专家。

伊万诺夫解释说:“如果我们想用光来控制材料中电子的性质,那么我们就需要确切地知道电子对光脉冲的反应。”。随着最新一代的激光源,它允许完全控制电磁场甚至一次振荡,新公布的方法将使深入了解未来的材料。

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