【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室，在利用超快光場調控二維材料器件中的拍赫茲(PHz)光電流方面取得重要理論突破，首次揭示了多體相互作用在驅動拍赫茲光電流產生過程中的關鍵性影響。相關成果以“Lightwave control of many-body interaction-driven petahertz photocurrent”為題發表于Physical Review B上。
隨著摩爾定律逐漸失效，傳統半導體技術正逼近其物理極限。在此背景下，“光波電子學”應運而生。該前沿領域利用超強超快激光的振蕩電場，直接在飛秒(千萬億分之一秒)甚至阿秒(百億億分之一秒)的時間尺度上操控電子運動，有望將信號處理速度提升至PHz量級，比當前最快的晶體管快數百萬倍。此前，多項研究已成功通過激光波形控制，在不同材料中實現了光電流產生，為制造PHz級光學開關奠定了基礎。然而，這些研究大多基于“單粒子圖像”，將電子視為獨立運動的粒子，忽略了它們之間復雜的相互作用。為了填補這一理論空白，研究人員采用了先進的非平衡格林函數理論框架，成功模擬了在強激光驅動下，電子間的多體相互作用如何影響其超快動力學行為。
研究發現，多體效應主導的光電流會引發電子間的相互作用，導致材料能帶結構的重整化(圖1)，并直接引起光電子產生過程中隨驅動光強變化的干涉現象。更為重要的是，研究人員類比傳統場效應管中“柵壓—源漏”調控機理，創新性地引入兩束正交偏振的激光脈沖，實現了光電流“注入”與“控制”的徹底解耦；通過調節兩束脈沖的相對時間延遲，證明了接近1 PHz的超高速電流調制頻率。基于這一方案，研究人員不僅提出了構建PHz光波邏輯門的原理性方案，還衍生出一種測量電子退相干時間的全新技術路徑。
該工作從根本上揭示了多體相互作用在PHz電流產生與調控中的核心地位，將光波電子學研究由“單粒子圖像”推進至“多體關聯”新階段，為面向多體物理的新型超快、低能耗光電子器件設計提供了關鍵理論依據與全新技術思路。
相關研究得到了科技部重點研發計劃、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊項目、國家自然科學基金項目的支持。
圖1. 少周期激光脈沖驅動單層MoS2產生定向光電流的原理示意圖
圖2. 考慮電子多體相互作用的不同邏輯門構建
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