文/Sally Cole Johnson

最近，美国堪萨斯大学超快激光实验室的一个研究团队成功地捕捉到了石墨烯内电子的实时弹道传输，这可能会在未来产生更快、更强大、更节能的电子设备。

电子运动往往会被与固体中其他粒子的碰撞所打断，大约每秒会被打断100亿到1000亿次。这些碰撞会减慢电子的运动速度，导致能量损失，并产生多余的热量。如果能够阻止这些碰撞，那么电子就可以在固体中不受阻碍地移动，就像弹道导弹在空中飞行一样。

堪萨斯大学物理学和天文学教授赵辉解释说：“超快激光器提供了超高的时间分辨率，是速度最快的实验工具之一。电子在固体中的弹道传输发生在很短的时间尺度上，因此通过超快激光研究弹道传输来追踪电子运动，堪称一种完美的匹配方法。”

之前的电学测量已经揭示了弹道传输的特征，“但是在真实空间中实时追踪弹道运动是一件很酷的事情。这为监测固体中的电子提供了一种非侵入性和非破坏性工具。”赵辉说道。

图1：赵辉在堪萨斯大学超高速激光实验室以及他的团队装置。（图片来源：堪萨斯大学）

全光学超快激光技术

该团队观察了石墨烯中的弹道运动，石墨烯由单层碳原子组成，形成六边形晶格结构。石墨烯被誉为一种神奇的材料，因为它不同寻常的特性而有望实现更快、更高效的下一代电子设备。

赵辉表示：“光为电子提供能量，使其能够释放出来自由地移动，从而在电子原来的位置处留下一个空穴。”但是石墨烯中的电子在回落到空穴中之前只能移动大约万亿分之一秒，这使得追踪电子的运动成为一项巨大挑战。

为了解决这一问题，该团队设计并制造了一种四层人工结构，即两个石墨烯层由一层二硫化钼和一层二硒化钼隔开。赵辉说：“通过在两个石墨烯层之间插入两种单层半导体材料，我们将电子和空穴分离——将电子引导到一个石墨烯层，将空穴保留在另一个石墨烯层中，这样电子就不会很快回落到空穴中，从而给了我们足够的时间窗口来分析电子运动的特性。”

负责实验的博士生Ryan Scott说，这两层总厚度仅为1.5nm的分子，“迫使电子在大约50万亿分之一秒的时间内保持移动”。对于配备了时间分辨率高达0.1万亿分之一秒的超快激光器的研究人员来说，电子的这段运动时间已经足够用来跟踪它们的运动了。

该团队的测量装置是一种基于超快激光器的瞬态吸收显微镜，能够以纳米级的空间分辨率解析电子的运动。赵辉说：“我们通过石墨烯中的移动电子对光反射的影响，来追踪电子——电子会略微增加其所到位置处样品的反射率。这使我们能够在电子移动时使用激光脉冲去跟踪它们。”

换言之，他们使用一种被称为“泵浦脉冲”的紧密聚焦激光脉冲，来释放样本中的电子；然后通过用另一种被称作“探测脉冲”的聚焦激光脉冲，绘制样本的反射率来追踪电子。

为了探测到如此微小的变化，他们一次释放了20000个电子，并使用探针激光反射样品并测量反射率。该团队对每个数据点重复该过程8000万次。图2显示了微小电子的位移与时间图的关键结果，直线意味着以恒定速度运动。因此，研究人员得出结论，电子平均以每秒22公里的速度做弹道运动，大约20万亿分之一秒后，撞上某物而终止弹道运动。

与电探测技术相比，该团队的全光超快激光技术提供了探索弹道和相干区内电子传输所需要的高分辨率。

该团队的工作中最令人惊讶的一方面是，他们的初步测试证实了他们的设备结构设计的有效性。“电子确实通过两个单层与空穴分离，并在更长的时间内保持移动。”赵辉说，“所以我们有很好的机会跟踪它们的弹道运动。我们的团队已经研究范德华异质结构中的电荷转移长达十年之久，所以很高兴看到我们可以使用这些人工结构来精细控制电子，使它们保持更长的移动时间。”

这项研究最大的挑战是什么呢？由于光信号较弱，研究小组不得不对多次测量结果进行平均，以获得结论性特征。赵辉说：“这需要实验装置在很长一段时间内保持稳定。这需要一些技巧和乏味的工作才能完成。”

迈向弹道传输

真正的好消息是：弹道电子传输速度快，没有散射（能量损失），因此使用弹道传输的电子设备可能会更快，功能更强大，更节能，从而减少延迟和热量问题。

赵辉说：“现在我们有了监测弹道电子运动的‘雷达枪’，我们将尝试将其作为一种工具，去研究如何用电场和其他手段控制电子运动。我们还想探索新的设计，以延长电子的弹道传输长度。这项研究中的样品保持在室温下。将样品冷却到较低温度，也可以延长其弹道长度。”

该项目得到了美国能源部的支持，Ryan Scott的工作得到了堪萨斯大学Redeker奖学金和研究生研究奖的支持。