电子在两种材料之间流动是许多关键技术的基础，从闪存到电池和太阳能电池。现在，研究人员第一次直接观察并记录了这些微小的跨界运动，观察到电子在一亿亿分之一秒内运动了0.7纳米——大约七个氢原子的宽度。在美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家们的带领下，研究小组通过测量移动电子发出的电磁波微小爆发来进行这些观测。一个多世纪前，麦克斯韦方程描述了这种现象，但直到现在才应用于这项重要的测量。
博科园-科学科普：斯坦福大学(Stanford)教授托尼海因茨(Tony Heinz)实验室的博士后研究员、《科学进展》(Science Advances)报告的第一作者埃里克岳玛(Eric Yue Ma)说：要做出有用的东西，通常需要把不同的材料放在一起，并在它们之间传递电荷、热量或光。这开辟了一种新方法来测量电荷（在这种情况下是电子和空穴）如何穿过两种材料之间的陡然界面。这不仅仅适用于分层材料，例如，它也可以用来观察在固体表面和附着在表面上分子之间流动的电子，甚至在理论上，也可以用来观察液体和固体之间流动的电子。
太短，太快或者是它们太短？
在这个实验中使用的材料是过渡金属双硫氰化物，或TMDCs：一种新兴的半导体材料，由只有几个原子厚的层组成。在过去的几年里，随着科学家们探索它们的基本性质和在纳米电子和光子学中的潜在用途，人们对它们的兴趣激增。当两种类型的TMDC堆叠在交替的层中时，电子可以以一种可控的方式从一层流向下一层，人们希望利用这种方式处理各种应用程序。但到目前为止，想要观察和研究这种流动的研究人员只能通过探测电子运动前后的材料来间接地做到这一点。所涉及的距离太短，电子速度太快，以至于今天的仪器无法直接捕捉电荷的流动。
电子在两层原子般薄的材料之间移动时，会在太赫兹的光谱范围内发出微小的电磁波脉冲。这种红色和蓝色的辉光使SLAC和斯坦福大学的研究人员能够观察和跟踪电子的超快运动。图片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
麦克斯韦引导
根据以物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦名字命名的一组著名方程，电流脉冲会产生电磁波，从无线电波和微波到可见光和x射线。在这种情况下，研究小组意识到，一个电子从一个TMDC层到另一个TMDC层的过程中，应该会产生太赫兹波的光点（落在电磁波频谱上的微波和红外线之间）这些光点可以用当今最先进的工具探测到。人们可能以前就想过这个问题，但他们否定了这个想法，因为他们认为，在这么少的物质中，不可能测量电子在这么小的距离内移动的电流。但如果做一个粗略的计算，会发现如果电流真的那么快，应该能够测量发射的光，所以我们只是尝试了。
用激光轻推
斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)的研究人员在一种由二硫化钼和二硫化钨制成的TMDC材料上测试了他们的想法。与SLAC/Stanford教授Aaron Lindenberg、Ma和博士后Burak Guzelturk合作，用超短的激光脉冲撞击材料，使电子移动，并用时域太赫兹发射光谱技术记录下它们发出的太赫兹波。这些测量不仅揭示了电流在层间传播的距离和速度，而且还揭示了电流传播的方向。当相同的两种材料以相反的顺序堆叠时，电流以完全相同的方向流动，但方向相反。
有了这项新技术的示范，许多令人兴奋的问题现在可以解决了，海因茨说：他领导的研究小组的研究，例如，旋转其中一个晶体层相对于另一个晶体层，可以显著地改变组合层的电子和光学性质。这种方法将允许我们直接跟踪电子从一层到另一层的快速运动，并观察这种运动是如何受到原子相对位置的影响。
博科园-科学科普｜研究/来自:SLAC国家加速器实验室
Glennda Chui,SLAC National Accelerator Laboratory
参考期刊文献:《Science Advances》
DOI: 10.1126/sciadv.aau0073
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