近日,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究團(tuán)隊(duì),在利用超快光場(chǎng)調(diào)控二維材料器件中的拍赫茲(PHz)光電流方面取得理論突破,揭示了多體相互作用在驅(qū)動(dòng)拍赫茲光電流產(chǎn)生過程中的關(guān)鍵性影響。

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)百萬倍。此前,多項(xiàng)研究已通過激光波形控制,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。為填補(bǔ)這一理論空白,研究人員采用非平衡格林函數(shù)理論框架,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,并直接引起光電子產(chǎn)生過程中隨驅(qū)動(dòng)光強(qiáng)變化的干涉現(xiàn)象。同時(shí),團(tuán)隊(duì)類比傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)管中“柵壓—源漏”調(diào)控機(jī)理,引入了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。團(tuán)隊(duì)通過調(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,研究人員進(jìn)一步提出構(gòu)建PHz光波邏輯門的原理性方案,并衍生出測(cè)量電子退相干時(shí)間的新技術(shù)路徑。

該研究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)與新技術(shù)思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論B》(Physical Review B)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院的支持。

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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

考慮電子多體相互作用的不同邏輯門構(gòu)建