超速光將絕緣體變成了導(dǎo)體

總長＜2 μm。波導(dǎo)將光壓縮在垂直于輻射傳播方向的兩個維度上。

計算機(jī)模擬過程揭示了這種錐形結(jié)構(gòu)形成納米聚焦的光學(xué)幾何原理。該裝置的底部是平的，便于片上操作，而側(cè)面和頂部則呈從前到后逐漸變窄的形式。

Choo說，這個團(tuán)隊面臨的最大挑戰(zhàn)是在這個微型裝置上生成一個正錐形。首先，研究人員在一塊熔融的SiO2基板上制作了一張50 nm厚的金箔。接著，利用“電子束感應(yīng)沉積”法將SiO2分層堆積成正錐形，然后將另一張厚50 nm的金箔放在絕緣體的頂部。最后，采用“聚焦離子束銑削”技術(shù)修整該裝置的側(cè)面。

在實驗中，將飛秒激光器發(fā)出的830 nm光聚焦到一個14 nm×80 nm的點(diǎn)上，這樣，光束的強(qiáng)度比原光束增強(qiáng)了400倍。經(jīng)計算，錐形波導(dǎo)能形成的最小光點(diǎn)可達(dá) 2 nm(寬)×5 nm(長)，然而研究人員在實驗中尚未獲得這樣的光點(diǎn)。

根據(jù)Choo的說法，采用納米聚焦技術(shù)的波導(dǎo)將會被用于電信和生物醫(yī)學(xué)成像。

Choo和加州理工學(xué)院的博士后副研究員Myung-Ki Kim與勞倫斯-伯克利國家實驗室及加州大學(xué)伯克利分校的同事們一起參與了這個項目。

通常情況下，如果用足夠強(qiáng)的光沖擊絕緣體，光會很快爆發(fā)，或慢慢減弱。但是目前，發(fā)表在《自然》雜志上的兩篇論文稱使用很強(qiáng)的飛秒激光脈沖不僅不會損傷材料，而且還能在絕緣介質(zhì)——尤其是熔融的硅棱鏡里——感生出電流。

這項成果是很振奮人心的，因為能快速轉(zhuǎn)變成導(dǎo)體(再變成絕緣體)的絕緣體可用于信號切換。如今，最快的半導(dǎo)體切換是以太赫茲為單位測量的，但這些論文中演示的絕緣體中的感光切換能夠以千萬億赫茲為單位工作——這是當(dāng)前電子學(xué)速率的10 000多倍。在近期，千萬億赫茲級計量也可能實現(xiàn)。

這個團(tuán)隊是由德國普朗克量子光學(xué)研究院的費(fèi)蘭茨·克勞茲(Ferenc Krausz)領(lǐng)導(dǎo)的。該團(tuán)隊與德國慕尼黑路德維格馬克西米利安大學(xué)和慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究人員以及美國喬治亞州立大學(xué)的馬克斯托克曼(Mark Stockman)理論小組一起首先研究了小石英玻璃棱鏡在受幾個周期的飛秒脈沖撞擊時是否會傳導(dǎo)電流。他們用鈦∶藍(lán)寶石啁啾脈沖放大器生成了寬帶可見光/紅外光脈沖。每個脈沖的長度小于4 fs，能量為大約400 μJ。在脈沖撞擊棱鏡后，第二個較弱的脈沖感生出了電流，這可在覆有金電極的棱鏡兩側(cè)面之間測定。隨著脈沖之間的間隔時間不同，感應(yīng)電流的方向也發(fā)生了變化。研究人員蒂姆·帕西楚·科爾伯格(Tim Paasch-Colberg)解釋道:“這種行為強(qiáng)烈地表明，在強(qiáng)光場下，絕緣體材料可在不到1 fs內(nèi)變成導(dǎo)體。”他補(bǔ)充道:“根據(jù)這些觀察結(jié)果，我們還不能斷定在相同時標(biāo)內(nèi)導(dǎo)電性也能被切斷?！倍@是信號處理的一項要求。

第二個實驗處理的是關(guān)斷速度問題。研究人員將一張SiO2薄膜暴露于相同的脈沖下。然后用時間分辨遠(yuǎn)紫外光吸收光譜法實時跟蹤了由強(qiáng)光場導(dǎo)致的電性能的極快變化，即用小于100 as的紫外光脈沖(比1 fs短1000倍)探測該薄膜?！拔覀兊难芯拷Y(jié)果表明，感應(yīng)場以高度非線性方式隨著驅(qū)動激光場的開啟和斷開行為而變化。”Elisabeth Bothschafter解釋道:“因此，研究人員明確提出了感應(yīng)場的可逆性?！?/p>