【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在利用超快光場(chǎng)調(diào)控二維材料器件中的拍赫茲(PHz)光電流方面取得重要理論突破，首次揭示了多體相互作用在驅(qū)動(dòng)拍赫茲光電流產(chǎn)生過(guò)程中的關(guān)鍵性影響。相關(guān)成果以“Lightwave control of many-body interaction-driven petahertz photocurrent”為題發(fā)表于Physical Review B上。
隨著摩爾定律逐漸失效，傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)正逼近其物理極限。在此背景下，“光波電子學(xué)”應(yīng)運(yùn)而生。該前沿領(lǐng)域利用超強(qiáng)超快激光的振蕩電場(chǎng)，直接在飛秒(千萬(wàn)億分之一秒)甚至阿秒(百億億分之一秒)的時(shí)間尺度上操控電子運(yùn)動(dòng)，有望將信號(hào)處理速度提升至PHz量級(jí)，比當(dāng)前最快的晶體管快數(shù)百萬(wàn)倍。此前，多項(xiàng)研究已成功通過(guò)激光波形控制，在不同材料中實(shí)現(xiàn)了光電流產(chǎn)生，為制造PHz級(jí)光學(xué)開(kāi)關(guān)奠定了基礎(chǔ)。然而，這些研究大多基于“單粒子圖像”，將電子視為獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的粒子，忽略了它們之間復(fù)雜的相互作用。為了填補(bǔ)這一理論空白，研究人員采用了先進(jìn)的非平衡格林函數(shù)理論框架，成功模擬了在強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)下，電子間的多體相互作用如何影響其超快動(dòng)力學(xué)行為。
研究發(fā)現(xiàn)，多體效應(yīng)主導(dǎo)的光電流會(huì)引發(fā)電子間的相互作用，導(dǎo)致材料能帶結(jié)構(gòu)的重整化(圖1)，并直接引起光電子產(chǎn)生過(guò)程中隨驅(qū)動(dòng)光強(qiáng)變化的干涉現(xiàn)象。更為重要的是，研究人員類比傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)管中“柵壓—源漏”調(diào)控機(jī)理，創(chuàng)新性地引入兩束正交偏振的激光脈沖，實(shí)現(xiàn)了光電流“注入”與“控制”的徹底解耦；通過(guò)調(diào)節(jié)兩束脈沖的相對(duì)時(shí)間延遲，證明了接近1 PHz的超高速電流調(diào)制頻率。基于這一方案，研究人員不僅提出了構(gòu)建PHz光波邏輯門的原理性方案，還衍生出一種測(cè)量電子退相干時(shí)間的全新技術(shù)路徑。
該工作從根本上揭示了多體相互作用在PHz電流產(chǎn)生與調(diào)控中的核心地位，將光波電子學(xué)研究由“單粒子圖像”推進(jìn)至“多體關(guān)聯(lián)”新階段，為面向多體物理的新型超快、低能耗光電子器件設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵理論依據(jù)與全新技術(shù)思路。
相關(guān)研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。
圖1. 少周期激光脈沖驅(qū)動(dòng)單層MoS2產(chǎn)生定向光電流的原理示意圖
圖2. 考慮電子多體相互作用的不同邏輯門構(gòu)建
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