近期據(jù)外媒novuslight消息，德國弗里茨·哈伯研究所和馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動力學研究所通過聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，激光脈沖可以讓材料特性發(fā)生超快轉(zhuǎn)換。未來，這一研究發(fā)現(xiàn)將開啟全新晶體管研制的道路。

在當前的材料研究領域，盡可能提高電子技術(shù)的運算速度是核心問題，而快速計算技術(shù)的關(guān)鍵組件是晶體管。作為邏輯運算中的基本步驟，電路開關(guān)中的晶體管控制著電流的瞬時開、關(guān)。

為了提高對理想晶體管材料的了解，物理學家們一直在努力尋找新的方法來實現(xiàn)“極快開關(guān)”?，F(xiàn)在，德國研究人員通過運用激光技術(shù)，成功研制出一種新型的超快開關(guān)。參與該研究項目的科學家，試圖找到改變材料特性的最佳方式，例如使磁性金屬變得沒有磁性，或者改變晶體的電導率。

飛秒激光脈沖以前所未有的速度，驅(qū)動了半金屬晶體中的電子躍遷（圖片版權(quán)：Sam Beaulieu博士）

幾十年來，控制電子排布始終是晶體管研究領域的關(guān)注焦點。但以前嘗試過的各種方式，在速度方面還是沒能達到理想效果。弗里茨·哈伯研究所物理化學系主任Ralph Ernstorfer表示：“我們知道諸如溫度或壓力變化之類的外部影響會起到一定的作用，但其過程還是要花費至少幾秒鐘的時間，這對于控制電流還是顯得太慢?！?br/>對于經(jīng)常使用計算機和智能手機的人來說，幾秒的等待時間都顯得非常漫長。因此，Ralph Ernstorfer團隊的任務是通過使用激光脈沖，讓材料的特性發(fā)生瞬時轉(zhuǎn)變。研究團隊使用了弗里茨·哈伯研究所的激光脈沖設備，通過向一種半金屬材料（包含了鎢和碲原子）發(fā)射超短脈沖激光，成功將材料電子排列轉(zhuǎn)變的時間縮短至100飛秒。

研究人員發(fā)現(xiàn)，晶體受到激光照射后，其內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)會迅速進行組合，這就實現(xiàn)了改變材料電導率的效果。團隊成員Samuel Beaulieu談到：“研究人員使用了一種新儀器記錄材料特性轉(zhuǎn)變的整個過程，這是一項了不起的研究成果。以往我們只對材料穩(wěn)定態(tài)的電子結(jié)構(gòu)有所了解，這是首次觀測到材料電子結(jié)構(gòu)的變化過程?！?/p>

費米面概述圖

同時，研究團隊還對這種新工藝方法進行了建模，從而揭示了材料特性實現(xiàn)瞬時轉(zhuǎn)變的原因。撞擊在材料上的激光脈沖，能瞬時改變材料電子相互作用的方式。因此，激光脈沖也是行業(yè)熟悉的“Lifshitz transition”（費米面拓撲相變）的原始驅(qū)動力。

費米面
費米面是最高占據(jù)能級的等能面，是當T=0時電子占據(jù)態(tài)與非占據(jù)態(tài)的分界面。一般來說，半導體和絕緣體不用費米面，而用價帶頂概念。金屬中的自由電子滿足泡利不相容原理，其在單粒子能級上分布幾率，遵循費米統(tǒng)計分布。

在當前的固體物理學中，對費米面的構(gòu)造沒有詳細闡述。費米面附近的電子對金屬性質(zhì)有重要影響，了解和掌握費米面的構(gòu)造是理解金屬中電子的物理特性的根本問題。

2016年諾貝爾物理學獎三位獲獎者素描像

拓撲相變
拓撲學是數(shù)學的一個分支，主要研究內(nèi)容是幾何形狀在連續(xù)形變中所不改變的性質(zhì)，研究的是“不連續(xù)”的特征。相變是指物質(zhì)在外界條件發(fā)生連續(xù)變化時，從一種“相”突然變成另一種“相”的過程。日常生活中，最常見的“相”是氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。在一些極端條件下，比如在極高的溫度或極低的溫度下，會出現(xiàn)很多奇異的狀態(tài)。

一般物質(zhì)都是按照一定的規(guī)律排列的，比如冰是水分子按照網(wǎng)格排列起來形成的固態(tài)。物理學上，固態(tài)是一種“相”。冰加熱后就變成了液態(tài)水，那是另一種“相”。這時，水分子的排列依舊是有規(guī)律的，只是發(fā)生了變化。從固態(tài)的冰到液態(tài)的水，這樣的變化就可以稱為“相變”。

拓撲相變就是在兩個拓撲之間轉(zhuǎn)變，必須結(jié)合在一起成對地應用，不能單獨應用。想象一下，如果在你的浴缸里，有兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的水流，但是他們同時出現(xiàn)。拓撲相變就是描述成對結(jié)合到分離的拓撲激發(fā)的過程。2016年，諾貝爾物理學獎的三位獲得者，戴維·索利斯（David Thouless）、鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）和邁克爾·科斯特立茨（Michael Kosterlitz）對于物理學中拓撲理論的運用在他們做出發(fā)現(xiàn)的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。

有關(guān)拓撲學原理的基礎性研究，為“超級材料”的研發(fā)奠定了基礎。比如拓撲絕緣體材料是一種邊界上導電，體內(nèi)絕緣體的新型量子材料。導電的邊界態(tài)由于獨特的物理特性，在導電過程中不會發(fā)熱。如果能將拓撲絕緣體材料制成手機芯片，就有希望解決手機在充電或長時間使用時的發(fā)燙問題。電從發(fā)電廠到家庭用電的傳輸過程中，存在著大量損耗。如果采用超導材料或者拓撲絕緣體材料，就能大幅降損耗，實現(xiàn)高效節(jié)能。