透過用強大的鐳射脈衝轟擊超薄半導體夾層，物理學家們創造了第一個室溫下的“電子液體”。這一成就為研發一種實用高效的裝置開闢了道路，這種裝置可以產生和探測太赫茲波長（介於紅外光和微波之間）的光。這種裝置可用於各種用途，如外層空間通訊、癌症探測和掃描隱藏武器。

在傳統的電子裝置中，電需要電子（藍色球體）和它們的正對應物，即空穴（紅色球體）的運動，空穴與我們大氣中的氣體分子非常相似。儘管電子和空穴在氣相中運動迅速，碰撞不頻繁，但在超薄材料構成的裝置中，它們可以凝結成類似液態水的液滴。

加州大學河濱分校（University of California， Riverside）的物理學家們用強大的鐳射脈衝轟擊超薄半導體夾層，創造出了第一種在室溫下的“電子液體”。

這項研究還能使人們在無限小的尺度上探索物質的基本物理，並有助於開創量子超材料的時代。量子超材料的結構是在原子尺度上設計的。

UCR的物理學家在2月4日的《自然光子學》雜誌上發表了他們的發現。他們由UCR量子材料光電子實驗室的物理學副教授納撒尼爾·加博爾（Nathaniel Gabor）領導。其他合著者包括實驗室成員特雷弗·阿普（Trevor Arp）和丹尼斯·普雷斯科特（Dennis Pleskot），以及物理學和天文學副教授維維克·阿吉（Vivek Aji）。

在他們的實驗中，科學家們在碳石墨烯層之間構建了一個超薄的半導體二碲化鉬夾層。這個分層結構僅僅比單個DNA分子的寬度稍厚。然後，他們用超快的鐳射脈衝轟擊這種材料，測量時間是千分之一秒。

“通常，像矽這樣的半導體，鐳射激發會產生電子和它們帶正電荷的空穴，這些空穴會在材料中擴散和漂移，這就是氣體的定義，”Gabor說。然而，在他們的實驗中，研究人員發現了凝結成液體等價物的證據。這種液體的性質類似於水等普通液體，只不過它不是由分子組成的，而是由半導體中的電子和空穴組成。

“我們發現有大量的能量被傾倒到這個系統中，但我們什麼也沒看到，什麼也沒看到，什麼也沒看到——然後我們突然看到在這個材料中形成了一個我們稱之為‘反常光電流環’的東西。”“我們意識到它是一種液體，因為它像水滴一樣生長，而不是像氣體一樣。”“但真正讓我們吃驚的是，它發生在室溫下，”他說。“以前，創造出這種電子空穴液體的研究人員只能在比深空更冷的溫度下才能做到這一點。”

Gabor說，這些液滴的電子特性將使光電器件的發展成為可能，這些器件將在太赫茲波段以前所未有的效率工作。太赫茲波長比紅外波長，但比微波短，在利用這種波的技術中存在一個“太赫茲間隙”。太赫茲波可以用於檢測面板癌和齲齒，因為它們的穿透能力和解決密度差異的能力有限。同樣的，聲波可以用來檢測藥物藥片等產品的缺陷，也可以用來發現隱藏在衣服下面的武器。

太赫茲發射器和接收器也可用於外層空間更快的通訊系統。而且，電子空穴液體可能成為量子計算機的基礎，量子計算機提供了比目前使用的矽基電路小得多的潛力，Gabor說。更普遍的是，加博爾說，他實驗室使用的技術可能是工程“量子超材料”的基礎，這種材料具有原子尺度的尺寸，能夠精確操縱電子，使其以新的方式表現。

在對電子孔“奈米粒子”的進一步研究中，科學家們將探索它們的液體性質，如表面張力。“目前，我們還不知道這種液體的流動性有多強，所以找出答案很重要。”

Gabor還計劃利用這項技術來探索基本的物理現象。例如，將電子空穴液體冷卻到超低溫可以使其轉變成具有奇異物理性質的“量子流體”，從而揭示物質的新基本原理。

在他們的實驗中，研究人員使用了兩項關鍵技術。為了製作由二碲化鉬和碳石墨烯構成的超薄夾層，他們使用了一種名為“彈性衝壓”的技術。在這種方法中，粘性聚合物薄膜用於拾取和堆疊原子厚度的石墨烯和半導體層。

為了將能量泵入半導體夾層併成像，他們使用了由Gabor和Arp開發的“多引數動態光響應顯微鏡”。在這項技術中，超快鐳射脈衝束被操縱掃描樣本，以光學對映產生的電流。

資料來源

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（美國）加利福尼亞大學