一億億分之一秒！首次直接看到電子運動了0.7納米！

2019-05-19 09:53 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

電子在兩種材料之間流動是許多關鍵技術的基礎，從閃存到電池和太陽能電池?，F在，研究人員第一次直接觀察并記錄了這些微小的跨界運動，觀察到電子在一億億分之一秒內運動了0.7納米——大約七個氫原子的寬度。

在美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學的科學家們的帶領下，研究小組通過測量移動電子發(fā)出的電磁波微小爆發(fā)來進行這些觀測。一個多世紀前，麥克斯韋方程描述了這種現象，但直到現在才應用于這項重要的測量。

博科園-科學科普：斯坦福大學(Stanford)教授托尼海因茨(Tony Heinz)實驗室的博士后研究員、《科學進展》(Science Advances)報告的第一作者埃里克岳瑪(Eric Yue Ma)說：要做出有用的東西，通常需要把不同的材料放在一起，并在它們之間傳遞電荷、熱量或光。這開辟了一種新方法來測量電荷（在這種情況下是電子和空穴）如何穿過兩種材料之間的陡然界面。這不僅僅適用于分層材料，例如，它也可以用來觀察在固體表面和附著在表面上分子之間流動的電子，甚至在理論上，也可以用來觀察液體和固體之間流動的電子。

太短，太快或者是它們太短？

在這個實驗中使用的材料是過渡金屬雙硫氰化物，或TMDCs：一種新興的半導體材料，由只有幾個原子厚的層組成。在過去的幾年里，隨著科學家們探索它們的基本性質和在納米電子和光子學中的潛在用途，人們對它們的興趣激增。當兩種類型的TMDC堆疊在交替的層中時，電子可以以一種可控的方式從一層流向下一層，人們希望利用這種方式處理各種應用程序。但到目前為止，想要觀察和研究這種流動的研究人員只能通過探測電子運動前后的材料來間接地做到這一點。所涉及的距離太短，電子速度太快，以至于今天的儀器無法直接捕捉電荷的流動。

電子在兩層原子般薄的材料之間移動時，會在太赫茲的光譜范圍內發(fā)出微小的電磁波脈沖。這種紅色和藍色的輝光使SLAC和斯坦福大學的研究人員能夠觀察和跟蹤電子的超快運動。圖片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

麥克斯韋引導

根據以物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋名字命名的一組著名方程，電流脈沖會產生電磁波，從無線電波和微波到可見光和x射線。在這種情況下，研究小組意識到，一個電子從一個TMDC層到另一個TMDC層的過程中，應該會產生太赫茲波的光點（落在電磁波頻譜上的微波和紅外線之間）這些光點可以用當今最先進的工具探測到。人們可能以前就想過這個問題，但他們否定了這個想法，因為他們認為，在這么少的物質中，不可能測量電子在這么小的距離內移動的電流。但如果做一個粗略的計算，會發(fā)現如果電流真的那么快，應該能夠測量發(fā)射的光，所以我們只是嘗試了。

用激光輕推

斯坦福材料與能源科學研究所(SIMES)的研究人員在一種由二硫化鉬和二硫化鎢制成的TMDC材料上測試了他們的想法。與SLAC/Stanford教授Aaron Lindenberg、Ma和博士后Burak Guzelturk合作，用超短的激光脈沖撞擊材料，使電子移動，并用時域太赫茲發(fā)射光譜技術記錄下它們發(fā)出的太赫茲波。這些測量不僅揭示了電流在層間傳播的距離和速度，而且還揭示了電流傳播的方向。當相同的兩種材料以相反的順序堆疊時，電流以完全相同的方向流動，但方向相反。