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近日，中國(guó)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(guò)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(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(guò)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(lèi)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(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?；谶@一方案，研究人員進(jìn)一步提出構(gòu)建PHz光波邏輯門(mén)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院的支持。

論文鏈接

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(mén)構(gòu)建