比电脑快5000倍

在没有反转对称性的半导体晶体中吸收光会产生电流。马克斯博恩研究所的研究人员现在已经产生了太赫兹（THZ）频率的定向电流，远高于当前电子器件的时钟频率。他们表明，晶格中相邻原子之间的电荷转移是潜在的机制。

太阳能电池将光能转换成直流电（DC），直流电被送入电网。关键步骤是光吸收后电荷的分离及其传输到器件的触点。电流由负电荷载流子（电子）和正电荷载流子（空穴）携带，在半导体的各种电子带中进行所谓的带内运动。从物理学的角度来看，以下问题是至关重要的：晶体中能提供光感应直流电（DC）的最小单元是什么？一个人能产生这样的电流的最大频率是多少？原子尺度上的哪些机制负责这种电荷传输？

晶体的最小单位是所谓的单位电池，由化学键决定的原子排列。原型半导体砷化镓的单位电池如图1a所示，代表了Ga和原子的排列，没有反转中心。在以电子价带表示的晶体基态中，价电子集中在Ga和As原子之间的键上。当近红外光或可见光吸收后，电子从价带提升到下一个更高的带，即导带。在新的状态下，电子电荷向镓原子移动。这种电荷转移对应于一个局部电流，即带间电流或位移电流，这与带内电流中的电子运动有根本不同。直到最近，理论家们一直在争论实验观察到的光诱导电流是由带内还是带间运动引起的。

德国柏林的马克斯伯恩研究所的研究人员首次在超高速时间尺度上研究了半导体砷化镓（GaAs）中的光致位移电流，该时间尺度为50飞秒（1fs=10-15秒）。他们在最新一期的《物理评论快报》121，266602（2018）中报告了他们的研究结果。利用从近红外（λ=900 nm）到可见光（λ=650 nm，橙色）的超短强光脉冲，它们在砷化镓中产生振荡的位移电流，从而发射带宽高达20太赫兹的太赫兹辐射。这些电流的性质和潜在的电子运动完全反映在发射的太赫兹波，这是在振幅和相位检测。太赫兹辐射表明，超短电流脉冲整流光的频率比现代计算机技术的最高时钟频率高出5000倍。

观察到的位移电流的性质绝对排除了电子或空穴的带内运动。与此相反，基于伪势能带结构中电子的带间转移的模型计算再现了实验结果，并表明电子在距离上的真实空间转移是键长顺序的关键机制。这一过程在晶体的每个单元单元单元内，即在亚纳米尺度上进行，并导致光场的校正。这种效应可以在更高的频率下被利用，在高频电子领域提供了新的有趣的应用。