近日,中国科学院上海光学精密机械研究所研究团队,在利用超快光场调控二维材料器件中的拍赫兹(PHz)光电流方面取得理论突破,揭示了多体相互作用在驱动拍赫兹光电流产生过程中的关键性影响。

随着摩尔定律逐渐失效,传统半导体技术正逼近其物理极限。在此背景下,“光波电子学”应运而生。该领域利用超强超快激光的振荡电场,直接在飞秒(千万亿分之一秒)甚至阿秒(百亿亿分之一秒)的时间尺度上操控电子运动,有望将信号处理速度提升至PHz量级,比当前最快的晶体管快数百万倍。此前,多项研究已通过激光波形控制,在不同材料中实现了光电流产生,为制造PHz级光学开关奠定了基础。然而,这些研究大多基于“单粒子图像”,将电子视为独立运动的粒子,忽略了它们之间复杂的相互作用。为填补这一理论空白,研究人员采用非平衡格林函数理论框架,模拟了在强激光驱动下,电子间的多体相互作用如何影响其超快动力学行为。

研究发现,多体效应主导的光电流会引发电子间的相互作用,导致材料能带结构的重整化,并直接引起光电子产生过程中随驱动光强变化的干涉现象。同时,团队类比传统场效应管中“栅压—源漏”调控机理,引入了两束正交偏振的激光脉冲,实现了光电流“注入”与“控制”的彻底解耦。团队通过调节两束脉冲的相对时间延迟,证明了接近1 PHz的超高速电流调制频率。基于这一方案,研究人员进一步提出构建PHz光波逻辑门的原理性方案,并衍生出测量电子退相干时间的新技术路径。

该研究揭示了多体相互作用在PHz电流产生与调控中的核心地位,将光波电子学研究由“单粒子图像”推进至“多体关联”新阶段,为面向多体物理的新型超快、低能耗光电子器件设计提供了关键理论依据与新技术思路。

相关研究成果发表在《物理评论B》(Physical Review B)上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院的支持。

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少周期激光脉冲驱动单层MoS₂产生定向光电流的原理示意图

考虑电子多体相互作用的不同逻辑门构建