加州大学河滨分校的物理学家创造了奇异的电子液体

加州大学河滨分校的物理学家们用强大的激光脉冲轰击一个超薄的半导体三明治，创造了第一个室温下的“电子液体”。

这项成就为开发第一种实用而有效的设备开辟了一条道路，这些设备可以产生和检测太赫兹波长的光——红外线和微波之间的光。这类设备可用于各种应用，如外层空间通信、癌症检测和隐蔽武器扫描。

这项研究还可以在无限小的尺度上探索物质的基本物理，并有助于开创一个量子超材料的时代，其结构是在原子尺度上设计的。

UCR物理学家2月4日在《自然光子学》杂志在线发表了他们的发现。他们由物理学副教授Nathaniel Gabor领导，他领导UCR量子材料光电实验室。其他合著者是实验室成员Trevor Arp和Dennis Pleskot，以及物理学和天文学副教授Vivek Aji。

在他们的实验中，科学家们在碳石墨烯层之间构建了一个半导体二元化钼的超薄夹层。层状结构略厚于单个DNA分子的宽度。然后，他们用超高速激光脉冲轰击这种材料，测量单位为万亿分之一秒。

Gabor说：“通常情况下，在硅等半导体中，激光激发会产生电子及其带正电的空穴，这些空穴在材料中扩散和漂移，这就是定义气体的方法。”然而，在他们的实验中，研究人员发现了凝结成液体的证据。这种液体的性质与普通液体（如水）相似，只是它不是由分子组成，而是由半导体中的电子和空穴组成。

加博说：“我们发现了被注入系统的能量，我们什么也没看到，什么也没看到，什么也没看到，然后突然我们看到了我们称之为‘反常光电流环’的物质的形成。”“我们意识到它是一种液体，因为它长得像水滴，而不是像气体一样。”

“但真正让我们吃惊的是，它发生在室温下，”他说。以前，制造这种电子空穴液体的研究人员只能在比深空更冷的温度下才能做到这一点。

Gabor说，这种液滴的电子特性将有助于开发在太赫兹光谱区域以前所未有的效率工作的光电器件。太赫兹波长比红外光长，但比微波短，在利用这种波长的技术上存在“太赫兹间隙”。太赫兹波可以用来检测皮肤癌和牙齿蛀牙，因为它们的穿透力有限，能够解决密度差异。同样，这些波也可以用来检测产品中的缺陷，如药片，以及发现隐藏在衣服下面的武器。

太赫兹发射器和接收器也可用于外层空间更快的通信系统。加博说，电子空穴液体可能是量子计算机的基础，它提供的潜力远小于目前使用的硅基电路。

加博说，更一般地说，他实验室使用的技术可能是工程“量子超材料”的基础，原子尺度的尺寸使电子的精确操作能够使它们以新的方式工作。

在进一步研究电子孔“纳米水坑”时，科学家们将探索它们的液体性质，如表面张力。

加博说：“现在，我们还不知道这种液体的流动性如何，所以有必要弄清楚它的流动性。”

加博还计划利用这项技术来探索基本的物理现象。例如，将电子空穴液体冷却到超低温可能使其转变成具有奇异物理性质的“量子流体”，从而揭示物质的新的基本原理。

在他们的实验中，研究人员使用了两项关键技术。为了制造二元化钼和碳石墨烯的超薄三明治，他们使用了一种称为“弹性冲压”的技术。在这种方法中，一种粘性聚合物薄膜被用来拾取和堆叠石墨烯和半导体的原子厚层。

为了将能量注入半导体夹层并成像，他们使用了Gabor和Arp开发的“多参数动态光响应显微镜”。在这项技术中，超高速激光脉冲束被操纵来扫描样品以光学方式映射产生的电流。

这项研究得到了美国空军科学研究所、美国能源部、科学办公室、基础能源科学、国家科学基金会、科特雷尔学者奖、加拿大高级研究所和美国国家航空航天局的支持。