超短激光脈沖能瞬間點玻成“金”

奧地利維也納技術(shù)大學(xué)與日本筑波大學(xué)研究人員通過計算機(jī)模擬證明，只需用激光照一下，不到一秒鐘石英玻璃就會具有金屬的性質(zhì)。研究人員指出，利用這種效應(yīng)來制造邏輯開關(guān)，會讓現(xiàn)有微電子設(shè)備的速度大大提高。相關(guān)論文發(fā)表在近期《物理評論快報》上。

此前德國科學(xué)家曾做過一項實驗。當(dāng)用激光照射石英玻璃時，能在其中檢測到電流，而照射之后玻璃幾乎立刻恢復(fù)為先前狀態(tài)。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，本研究從理論上探討了在絕緣體中，超短激光脈沖誘導(dǎo)的超快電流是怎樣產(chǎn)生的。

通常石英玻璃都是絕緣的，不能導(dǎo)電，但只要用超短激光脈沖照一下，玻璃的電學(xué)屬性就會在幾飛秒(1 fs=10－15s)內(nèi)發(fā)生根本改變。如果激光脈沖足夠強，其中的電子就能自由移動。在一段極短的時間內(nèi)，石英玻璃會變得像金屬一樣，不透明而且能導(dǎo)電。這種性質(zhì)的轉(zhuǎn)變能瞬間完成，由此可以作為一種超快光基電子設(shè)備。從量子力學(xué)角度，電子在固體材料中可同時處于不同狀態(tài):它可以緊緊綁在某個原子附近，也可以處在一個較高能態(tài)。較高能態(tài)讓它可以在兩個原子之間運動，就像把一個小球放在一個坑里:小球的能量很小時，只能呆在那個坑里，如果它獲得了足夠動能，就能自由運動。

論文第一作者、維也納技術(shù)大學(xué)理論物理學(xué)研究所的喬治·沃奇特說:“激光脈沖的能量大大改變了石英中的電子狀態(tài)，它不僅能把能量轉(zhuǎn)移給電子，還能完全打亂材料中電子態(tài)的整個結(jié)構(gòu)?！蹦壳八玫木w管，每次開關(guān)都要有大量載荷子運動，直至達(dá)到新的平衡態(tài)，這會耗費時間。如果用激光脈沖來改變材料性質(zhì)，情況就會完全不同，這里的線路換態(tài)過程來自電子結(jié)構(gòu)和原子電離的改變。論文合著者克里斯托弗·里默說，在已知的固態(tài)物理學(xué)中，這些效應(yīng)發(fā)生的速度是最快的過程之一。晶體管的發(fā)動時間通常為皮秒級(1 ps=1012s)，而用激光脈沖改變電流比它快1 000倍?！袄糜嬎銠C(jī)模擬，我們能通過慢動作來研究事物隨時間的演變，觀察材料中究竟發(fā)生了什么?！本S也納技術(shù)大學(xué)理論物理學(xué)研究所教授喬吉姆·伯格多弗說，但要模擬這種效應(yīng)極為復(fù)雜，必須同時考慮到許多量子過程，如材料的電子結(jié)構(gòu)、激光與電子相互作用、電子間相互作用等。計算顯示，超快電流會對材料的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵產(chǎn)生顯著影響，因此研究人員還會用不同材料來實驗，以觀察怎樣才能更有效地利用這種效應(yīng)。