物質の電子配置の瞬間的な変化？ レーザーパルスで実現できます！

最近、外国メディアの novuslight によると、ドイツの Fritz Huber Institute と Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter の共同研究により、レーザー パルスが材料特性の超高速遷移を引き起こす可能性があることがわかりました。 将来的には、この研究成果が新しいトランジスタの開発への道を切り開くでしょう。

現在の材料研究分野では、電子技術の計算速度を可能な限り上げることが核心的課題であり、高速計算技術のキーコンポーネントはトランジスタです。論理演算の基本ステップとして、回路スイッチのトランジスタが電流の瞬間的な開閉を制御します。



理想的なトランジスタ材料の理解を深めるために、物理学者は「非常に高速なスイッチング」を実現する新しい方法を見つけようとしています。現在、ドイツの研究者は、レーザー技術を使用して新しいタイプの超高速スイッチの開発に成功しています。この研究プロジェクトに参加している科学者たちは、磁性金属を非磁性にしたり、結晶の導電率を変更したりするなど、材料の特性を変化させる最良の方法を見つけようとしています。





フェムト秒レーザー パルスは、前例のない速度で半金属結晶の電子遷移を駆動します (画像著作権: Dr. Sam Beaulieu)



トランジスタ研究の分野では、何十年にもわたって電子装置の制御が常に注目されてきました。しかし、以前に試したさまざまな方法では、速度の点で望ましい効果を得ることができませんでした。フリッツ・ハーバー研究所の物理化学部門の責任者であるラルフ・アーンストーファーは、「温度や圧力の変化などの外部の影響が影響することはわかっていますが、このプロセスには少なくとも数秒かかります。電流を制御するには遅い」
パソコンやスマートフォンをよく使う人にとって、数秒の待ち時間はとても長いです。したがって、Ralph Ernstorfer のチームの仕事は、レーザー パルスを使用して材料の特性を瞬時に変更することです。研究チームは、フリッツ フーバー研究所のレーザー パルス装置を使用して、超短レーザー パルスを半金属材料 (タングステンとテルリウム原子を含む) に照射することにより、材料の電子配列の変換時間を 100 フェムト秒に短縮することに成功しました。第二。



研究者たちは、結晶にレーザーが照射された後、内部の電子構造がすばやく結合し、材料の導電率を変化させる効果を達成することを発見しました。チーム メンバーのサミュエル ボーリューは次のように述べています。初めて物質の電子構造が変化する過程が観察されました。」




フェルミ面の概要



同時に、研究チームはこの新しいプロセス方法をモデル化して、材料特性の瞬間的な変化の理由を明らかにしました。材料に照射されるレーザー パルスは、材料の電子が相互作用する方法を瞬時に変えることができます。したがって、レーザーパルスは、業界でもおなじみの「リフシッツ転移」（フェルミ面トポロジカル相転移）の原動力でもあります。

フェルミ麺
フェルミ面は、エネルギー準位が最も高い等エネルギー面であり、T=0 のときの占有状態と非占有状態の界面です。一般的に、半導体や絶縁体はフェルミ面ではなく、価電子帯トップの概念を利用しています。金属中の自由電子はパウリの排他原理を満たし、単一粒子のエネルギー レベルでのそれらの自由電子分布の確率はフェルミ統計分布に従います。



現在の固体物理学では、フェルミ面の構造は詳しく説明されていません。フェルミ面に近い電子は、金属の性質に大きな影響を及ぼします.フェルミ面の構造を理解して習得することは、金属中の電子の物理的性質を理解するための基本的な問題です.




2016 年ノーベル物理学賞受賞者 3 人のスケッチ



トポロジカルな相変化
トポロジーは数学の一分野であり、主な研究内容は、連続変形時に変化しない幾何学的形状の性質であり、「不連続性」の性質について研究しています。相転移とは、外部条件が連続的に変化したときに、ある種の「相」から別の種の「相」に物質が突然変化する過程を指します。日常生活で最も一般的な「相」は、気体、液体、固体です。極端な高温や低温などの極端な条件下では、異常な状態が多く発生します。



一般に、物質は一定の規則に従って配置されています.例えば、氷は水分子が格子状に並んだ固体の状態です。物理学では、固体状態は一種の「相」です。氷を加熱すると、別の「相」である液体の水になります。このとき、水分子の配列はまだ規則的ですが、変化しています。固体の氷から液体の水へのこの変化は、「相変化」と呼ぶことができます。



トポロジー相変化は、2 つのトポロジー間の遷移であり、ペアで組み合わせて適用する必要があり、個別に適用することはできません。浴槽内で反対方向に回転する 2 つの水流が同時に発生する場合を想像してみてください。トポロジカル相転移は、トポロジカル励起を分離するためにペアで結合するプロセスとして説明されます。 2016 年、物理学の 3 人のノーベル賞受賞者、David Thouless、Duncan Haldane、Michael Kosterlitz は、彼らの発見において理論の適用が重要な役割を果たしました。



トポロジーの原理に関する基礎研究は、「超物質」の研究開発の基礎を築いてきました。たとえば、トポロジカル絶縁体は、境界で電気を伝導する新しいタイプの量子物質であり、体内では絶縁体です。固有の物理的特性により、伝導境界状態は伝導プロセス中に熱を生成しません。トポロジカル絶縁体材料を携帯電話チップ化できれば、携帯電話の充電時や長時間使用時のホットな問題を解決できると期待されている。発電所から家庭の電力への送電には多くの損失があります。超電導材料やトポロジカル絶縁体材料を用いれば、損失を大幅に削減でき、高効率化と省エネルギー化が実現できます。