加州大學河濱分校的物理學家創(chuàng)造了異域電子液體

通過用強大的激光脈沖轟擊超薄半導體三明治，加州大學河濱分校的物理學家在室溫下創(chuàng)造了第一個“電子液體”。

這一成就為開發(fā)第一個實用且高效的設備開辟了道路，以生成和檢測太赫茲波長的光 - 紅外光和微波之間。這種裝置可用于各種應用，如外太空通信，癌癥檢測和隱藏武器掃描。

該研究還可以在無限小的尺度上探索物質的基本物理學，并幫助開創(chuàng)量子超材料的時代，量子超材料的結構是在原子尺寸上設計的。

UCR物理學家在“自然光子學”雜志上在線發(fā)表了他們的研究結果。他們由物理學副教授 納撒尼爾·加博爾領導，他是UCR 量子材料光電子實驗室的負責人。其他合著者是實驗室成員Trevor Arp和Dennis Pleskot，以及物理和天文學副教授Vivek Aji。

在他們的實驗中，科學家們在碳石墨烯層之間構建了半導體鉬二碲化物的超薄三明治。分層結構略微厚于單個DNA分子的寬度。然后他們用超高速激光脈沖轟擊材料，以千萬億分之一秒為單位進行測量。

“正常情況下，像硅這樣的半導體，激光激發(fā)產生的電子和帶正電的空穴在材料中擴散和漂移，這就是你定義氣體的方式，”Gabor說。然而，在他們的實驗中，研究人員檢測到凝結成相當于液體的證據。這種液體具有類似普通液體如水的性質，除了它不是由分子組成，而是由半導體內的電子和空穴組成。

“我們正在調高投入系統(tǒng)的能量，我們什么也沒看到，什么也沒看到 - 然后我們突然看到材料中形成的'異常光電流環(huán)'，”Gabor說。“我們意識到它是一種液體，因為它像液滴一樣長大，而不是像氣體一樣。”

“但令我們感到驚訝的是，它發(fā)生在室溫下，”他說。“以前，制造這種電子空穴液體的研究人員只能在溫度低于深空的溫度下才能這樣做。”

Gabor說，這種液滴的電子特性將使光電器件的開發(fā)能夠在光譜的太赫茲區(qū)域以前所未有的效率運行。太赫茲波長比紅外波長，但比微波短，并且在利用這種波的技術中存在“太赫茲間隙”。太赫茲波可用于檢測皮膚癌和蛀牙，因為它們具有有限的穿透力和解決密度差異的能力。同樣，波浪可用于檢測藥品片劑等產品中的缺陷，并發(fā)現隱藏在衣服下面的武器。

太赫茲發(fā)射器和接收器也可用于外太空中更快的通信系統(tǒng)。而且，電子空穴液體可能是量子計算機的基礎，量子計算機可能比現在使用的硅基電路小得多，Gabor說。

更一般地說，Gabor說，他的實驗室中 使用的技術 可以成為工程“ 量子超材料 ” 的基礎，其原子級尺寸可以精確控制電子，使其以新的方式運行。

在進一步研究電子空穴“納米棒”時，科學家們將探索它們的液體性質，如表面張力。

“現在，我們不知道這種液體是多么流動，重要的是找出來，”Gabor說。

Gabor還計劃利用該技術探索基本的物理現象。例如，將電子空穴液體冷卻到超低溫可能會使其轉變?yōu)榫哂衅娈愇锢硖匦缘?ldquo;量子流體”，從而揭示物質的新基本原理。

在他們的實驗中，研究人員使用了兩種關鍵技術。為了構建二碲化鉬和碳石墨烯的超薄三明治，他們使用了一種稱為“彈性沖壓”的技術。在這種方法中，粘性聚合物薄膜用于拾取和堆疊石墨烯和半導體的原子厚層。

為了將能量泵入半導體夾層并對效果進行成像，他們使用Gabor和Arp開發(fā)的“ 多參數動態(tài)光響應顯微鏡 ”。在該技術中，操縱超快激光脈沖束以掃描樣品以光學映射所產生的電流。