原標(biāo)題：納米尺度下電子像“瀑布” 上海科學(xué)家這一發(fā)現(xiàn)或許會(huì)令手機(jī)待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)

    當(dāng)電子也像瀑布一樣“飛流直下”，會(huì)發(fā)生什么有趣的事？上海技術(shù)物理研究所紅外物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陸衛(wèi)研究員和復(fù)旦大學(xué)安正華研究員的科研團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)在納米尺度下，電子也會(huì)如同水花一樣，溫不在電流處，而是偏向電子流動(dòng)的方向。該研究成果日前在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表。獲得該成果的關(guān)鍵手段是基于團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的超高靈敏甚長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器的掃描噪聲顯微鏡（SNoiM）技術(shù)。

　　自湯普森1897年發(fā)現(xiàn)電子以來(lái)，人們就嘗試去展現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)。特別是微電子領(lǐng)域和光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中，控制與理解非平衡的熱電子的運(yùn)動(dòng)，對(duì)優(yōu)化器件效率有著重要作用。然而，電子運(yùn)動(dòng)速度快，直接觀測(cè)需要的時(shí)空分辨率，使人們難以捕捉它們的蛛絲馬跡。

　　“平衡態(tài)的電子就像平坦小河里的水流，緩慢流動(dòng)的水和地貌相依存。”陸衛(wèi)介紹，“非平衡態(tài)的水流則像瀑布，入水的一剎那水花四濺。”在常識(shí)中，一只白熾燈泡的鎢絲會(huì)在最細(xì)的地方發(fā)出最亮的光，因?yàn)榇颂庪娮瑁瑹艚z溫度，這是電子平衡態(tài)特征下的運(yùn)動(dòng)行為。然而，在納米尺度下的非平衡態(tài)下，結(jié)果可就不大一樣了。按平衡態(tài)理論，人們預(yù)測(cè)，在微電子器件中電流的位置往往會(huì)是電子溫度的地方。陸衛(wèi)和安正華的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在納米尺度結(jié)構(gòu)中，電子溫度之處并非在電流位置，而是明顯地向電子的流動(dòng)方向偏離了，而且電子的溫度高于晶格溫度很多倍。研究人員從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面證實(shí)，這種奇異特性來(lái)自熱電子的非平衡態(tài)特征。

　　用安正華的話來(lái)說(shuō)，觀察納米尺度下電子的非平衡態(tài)運(yùn)動(dòng)，就好比“白天數(shù)星星”。“多虧我們自主研發(fā)的超高靈敏度的探測(cè)器。就好像白天用肉眼看廣場(chǎng)上的蠟燭，往往看不見(jiàn)。這種探測(cè)器就像給我們戴上了望遠(yuǎn)鏡，能夠聚焦到電子的非平衡態(tài)運(yùn)動(dòng)。”此外，太赫茲冷光學(xué)共聚焦顯微技術(shù)和超分辨掃描近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)，也是此項(xiàng)成果的好幫手。

　　隨著微電子器件尺度按摩爾定律不斷向納米尺度減小，對(duì)于電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)也從平衡態(tài)理論向非平衡態(tài)理論的發(fā)展。在陸衛(wèi)看來(lái)，這一發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充了電子運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)。《科學(xué)》雜志四位評(píng)審論文的專(zhuān)家也不約而同亮出了“通過(guò)”。其中一位評(píng)委表示，關(guān)注半導(dǎo)體中非平衡態(tài)過(guò)程研究的眾多科學(xué)家將受益于該成果。

　　這項(xiàng)研究將對(duì)后摩爾時(shí)代納米器件的熱管理與能源效率提升和太陽(yáng)能電池等光電轉(zhuǎn)換效率的提升帶來(lái)幫助。“電子現(xiàn)在工作一段時(shí)間后都會(huì)發(fā)熱，這部分熱能我們是不需要的。在這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的幫助下，我們可以盡可能減少這部分熱能的產(chǎn)生。”陸衛(wèi)表示，“就好比現(xiàn)在我們是讓發(fā)燒的人服用退燒藥，以后我們要做到不讓他們發(fā)燒。”或許未來(lái)，因?yàn)檫@項(xiàng)成果，我們的計(jì)算機(jī)會(huì)速度更快、耗電更少，手機(jī)的待機(jī)時(shí)間也更長(zhǎng)。

　　據(jù)悉，這項(xiàng)研究持續(xù)了近6年。“我們認(rèn)準(zhǔn)了電子的非平衡態(tài)研究會(huì)帶來(lái)驚喜，但得出這樣的結(jié)論也是偶然。我們有一位博士生也為此付出了五年的辛勤研究。”陸衛(wèi)說(shuō)。