超短激光脈沖能瞬間點玻成“金”

奧地利維也納技術大學與日本筑波大學研究人員通過計算機模擬證明，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。研究人員指出，利用這種效應來制造邏輯開關，會讓現有微電子設備的速度大大提高。相關論文發表在近期《物理評論快報》上。

此前德國科學家曾做過一項實驗。當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為先前狀態。據物理學家組織網近日報道，本研究從理論上探討了在絕緣體中，超短激光脈沖誘導的超快電流是怎樣產生的。

通常石英玻璃都是絕緣的，不能導電，但只要用超短激光脈沖照一下，玻璃的電學屬性就會在幾飛秒(1 fs=10－15s)內發生根本改變。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，石英玻璃會變得像金屬一樣，不透明而且能導電。這種性質的轉變能瞬間完成，由此可以作為一種超快光基電子設備。從量子力學角度，電子在固體材料中可同時處于不同狀態:它可以緊緊綁在某個原子附近，也可以處在一個較高能態。較高能態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、維也納技術大學理論物理學研究所的喬治·沃奇特說:“激光脈沖的能量大大改變了石英中的電子狀態，它不僅能把能量轉移給電子，還能完全打亂材料中電子態的整個結構。”目前所用的晶體管，每次開關都要有大量載荷子運動，直至達到新的平衡態，這會耗費時間。如果用激光脈沖來改變材料性質，情況就會完全不同，這里的線路換態過程來自電子結構和原子電離的改變。論文合著者克里斯托弗·里默說，在已知的固態物理學中，這些效應發生的速度是最快的過程之一。晶體管的發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。“利用計算機模擬，我們能通過慢動作來研究事物隨時間的演變，觀察材料中究竟發生了什么。”維也納技術大學理論物理學研究所教授喬吉姆·伯格多弗說，但要模擬這種效應極為復雜，必須同時考慮到許多量子過程，如材料的電子結構、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構和化學鍵產生顯著影響，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。