图 1.堪萨斯大学超快激光实验室的Hui Zhao和他的团队的设置。

堪萨斯大学超快激光实验室的一组研究人员最近设法捕获了石墨烯中电子的实时弹道传输，这可能会在未来带来更快、更强大和更节能的电子设备。

电子运动往往会被与固体中其他粒子的碰撞打断，大约每秒 100亿 到 1000 亿次。这会减慢电子的速度，导致能量损失，并产生多余的热量。如果这些碰撞可以被阻止，那么电子在空气中传播时可以在类似于弹道导弹的固体中不受阻碍地移动。

“超快激光器提供超高的时间分辨率，是最快的实验工具之一，”物理学和天文学教授Hui Zhao说。“固体中电子的弹道传输发生在非常短的时间尺度上，因此通过超快激光器研究弹道传输以跟踪电子的运动是完美的匹配。

以前的电气测量已经揭示了弹道运输的特征，“但实际上在实时和真实空间中跟踪它们的弹道运动是很酷的，”赵补充道。“这提供了一种非侵入性和非破坏性的工具来监测固体中的电子。

研究小组观察了石墨烯中的弹道运动，石墨烯由形成六边形晶格结构的单层碳原子组成。石墨烯被誉为一种神奇的材料，因为它不寻常的特性可以使更快、更高效的下一代电子设备成为可能。

“光为电子提供能量以释放它，使其可以自由移动，在原来的位置留下一个'洞'，”赵说。但是石墨烯中的电子在落回空洞之前只能保持大约万亿分之一秒的移动，这使得跟踪它们的运动成为一个挑战。

为了解决这个问题，该团队设计并制造了一个四层人工结构，其中两层石墨烯由二硫化钼和二硒化钼隔开。“通过在两个石墨烯层之间插入两个单层半导体，我们将电子和空穴分开，这样电子就不会很快落回空穴中，这为我们提供了足够的时间窗口来分析电子运动的性质，”赵说。

总厚度仅为1.5纳米的两层分子“迫使电子保持移动约50万亿分之一秒，”进行实验的博士生Ryan Scott说。对于配备激光器的研究人员来说，这足以以0.1万亿分之一秒的速度跟踪电子的运动。

该团队的测量装置是一种基于超快激光的瞬态吸收显微镜，可以以纳米级的空间分辨率解析电子的运动。“我们的技术通过对光反射的影响来跟踪石墨烯中的移动电子 - 它们略微增加了样品在其位置的反射率，”Zhao说。“这使我们能够使用激光脉冲来跟踪它们的移动。

换句话说：他们使用一种称为“泵浦脉冲”的紧密聚焦的激光脉冲来释放样品中的电子，他们通过用另一个称为“探针脉冲”的聚焦激光脉冲绘制出样品的反射率来追踪，该激光脉冲在稍晚的时间到达样品。

为了检测到如此微小的变化，他们一次释放了20000个电子，并使用探针激光器反射样品并测量这种反射率。该团队对每个数据点重复了 8000 万次该过程。图 2 显示了它们在微小电子的位移与时间图中的关键结果示例，直线表示匀速运动。因此，研究人员得出结论，电子平均以每秒22公里的速度以大约20万亿分之一秒的速度弹道运动，然后遇到终止其弹道运动的东西。

图2.石墨烯中电子的位移与时间的关系图，由超快激光测量绘制出来。

与电探测技术相比，他们的全光学超快激光技术提供了探索弹道和相干状态内电子传输所需的高分辨率。

该团队工作中最令人惊讶的方面之一是，他们的初步测试证实了他们的设备结构设计有效。“电子确实被两个单层与空穴分开，并且保持移动的时间更长，”赵说。“所以我们知道我们有很好的机会跟踪他们的弹道运动。我们小组已经研究了范德华异质结构类型的电荷转移10年，所以很高兴看到我们可以使用这些人工结构来微调电子，使它们保持更长时间的移动。

最大的挑战是什么?由于光信号较弱，该团队必须对许多测量值进行平均才能获得结论性特征。“这要求实验装置在很长一段时间内保持稳定，”赵说。“需要一些技巧和繁琐的工作才能完成。”

真正的好消息是：弹道电子传输速度快且无散射，因此使用弹道传输的电子设备可能会更快，更强大、更节能，从而减少延迟和热量问题。

“现在我们有了监测弹道电子运动的'雷达枪'，我们将尝试将其用作研究如何用电场和其他手段控制电子运动的工具，”赵说。“我们还想探索新的器件设计，以延长电子的弹道传输长度。本研究中的样品在室温下保存。将样品冷却到较低的温度也可以延长它们的弹道长度。

该项目得到了美国能源部的支持，Ryan Scott 的工作得到了堪萨斯大学的 Redeker 奖学金和研究生研究奖的支持。