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太赫兹辐射可引发某些材料从绝缘到金属的转化
发布时间:2012-08-06 08:23:17 阅读:2577

来源: Phys.org;中国太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

该图显示的是黄金太赫兹超材料间隙中受损二氧化钒的扫描电子显微镜图像。当间隙中入射太赫兹辐射强场增强,产生破损,从而引起能量密度快速提升,进而引发场驱绝缘向金属的转化。图片版权人: Mengkun Liu / Mario D’Amato

    美国波士顿大学(BU),麻省理工学院(MIT)以及另外几所学院的研究人员最近发现,有一些特殊材料在太赫兹辐射的影响下,可能会发生从绝缘到金属的转化。这项由波士顿大学物理学教授阿维瑞特(Richard Averitt)和麻省理工学院化学教授尼尔森(Keith Nelson)共同负责的研究,其结果已于本月初发表在《自然》杂志上。

    研究小组首次成功的展示了如何通过调控太赫兹脉冲来控制材料的相位(及材料的物态)。在他们的试验中,研究人员演示了如何把二氧化钒从绝缘电子态转化为传导电子态。

    太赫兹频率辐射位于电磁光谱中远红外和微波之间,并具有两者的特质。太赫兹辐射可以穿透多种非传导材质如:布料、纸张、纸板、木材、砖石、塑料和陶瓷等等,尽管起穿透性不及微波辐射。麻省理工学院物理化学博士后Harold Hwang认为,在太赫兹电场中移动的电子可以获得相当大的能量(电场中电荷加速),“亚皮秒太赫兹脉冲能让我们在材料中引发强电荷,以二氧化钒为例,太赫兹脉冲实际上已经让电子的电位发生了扭曲,从而解放了电子,使材料具有更好的传导性。”但是要完成这一转变需要很强的太赫兹场,研究人员采用的是一个类似于天线名为分裂环谐振器的结构,通过它可以将太赫兹脉冲电场汇集成一个很小的区域,从而让电场从每厘米几百千伏提高到每厘米4兆伏。

    Harold Hwang继续解释,“类似这样强大的电场不但可以引发二氧化钒相位转变,还可以引发很多系统中强烈非线性响应。如此一来,在很多领域都将大有用武之地,例如:高场太赫兹控制超导电磁反应、磁阻材料及其他相关电子系统、半导体中太赫兹电子弹道传输、绝缘晶体和玻璃中太赫兹促发结构转变等等。”

    “因为太赫兹频率与谐振频率一致,附近原子与分子相互产生晶格振动,太赫兹脉冲可以直接驱动点阵振动—很有可能还是大振幅的。太赫兹光波可以驱动晶格中所有的原子与分子集体偏离其平衡位,如此便会引起电子态或/和晶体结构的相位改变。当然,只有当原子真正移动并占据新的结晶相位时,上述情况便会发生。目前,有关太赫兹促发结构相位转变的各种试验正在进行。”

    近十年,由于太赫兹在安全扫描、生物成像以及电子学领域的应用越来越广泛,电磁光谱中太赫兹领域也越来越受到研究人员的关注。

    美国波士顿大学与麻省理工学院研究小组以及他们的联合研究人员已经展示如何通过改变相位来使二氧化钒的传导性发生两个数量级的转变。后续研究同时也展示了其他半导体的传导性也可以发生几个数量级的转变。“这表明,”Harold Hwang补充到,“对于太赫兹辐射的探测将大有希望,因为传导性的变化在传统电子学中一目了然。我们期望这种技术可以用于制造更敏锐、更便宜的太赫兹探测器,最终可以实现太赫兹成像系统能真正运用于工业产业中的多个部门。”

    该研究的另外一项潜在的应用就是制造Mott场效应晶体管 (FET) ,这将可能克服目前硅晶管所普遍存在的内在局限。毕业于波士顿大学物理系,现为加州大学圣地牙哥分校(UCSD )博士后的Mengkun Liu指出,“在今后许多应用中,Mott场效应晶体管将因其电场开关的优越性取代硅晶管。通过我们的试验可以看到太赫兹电场开关大约就是几皮秒的时间。这意味着过渡金属氧化物晶体管可以应用于更广范围的快速切换装置。(从支流电到光频)”

    更多信息请查阅:《自然》第487期,第345-348页,“太赫兹场引发二氧化钒超材料绝缘到金属的转化”,作者包括Mengkun Liu, Harold Y. Hwang, Hu Tao, Andrew C. Strikwerda, Kebin Fan等等: doi:10.1038/nature11231

 
 

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