原標題：納米尺度下電子像“瀑布” 上海科學家這一發現或許會令手機待機時間更長
當電子也像瀑布一樣“飛流直下”，會發生什么有趣的事？上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室陸衛研究員和復旦大學安正華研究員的科研團隊合作，發現在納米尺度下，電子也會如同水花一樣，溫不在電流處，而是偏向電子流動的方向。該研究成果日前在《科學》雜志在線發表。獲得該成果的關鍵手段是基于團隊自主研發的超高靈敏甚長波量子阱紅外探測器的掃描噪聲顯微鏡（SNoiM）技術。
自湯普森1897年發現電子以來，人們就嘗試去展現它的運動。特別是微電子領域和光電轉化過程中，控制與理解非平衡的熱電子的運動，對優化器件效率有著重要作用。然而，電子運動速度快，直接觀測需要的時空分辨率，使人們難以捕捉它們的蛛絲馬跡。
“平衡態的電子就像平坦小河里的水流，緩慢流動的水和地貌相依存。”陸衛介紹，“非平衡態的水流則像瀑布，入水的一剎那水花四濺。”在常識中，一只白熾燈泡的鎢絲會在最細的地方發出最亮的光，因為此處電阻，燈絲溫度，這是電子平衡態特征下的運動行為。然而，在納米尺度下的非平衡態下，結果可就不大一樣了。按平衡態理論，人們預測，在微電子器件中電流的位置往往會是電子溫度的地方。陸衛和安正華的團隊發現，在納米尺度結構中，電子溫度之處并非在電流位置，而是明顯地向電子的流動方向偏離了，而且電子的溫度高于晶格溫度很多倍。研究人員從理論和實驗兩方面證實，這種奇異特性來自熱電子的非平衡態特征。
用安正華的話來說，觀察納米尺度下電子的非平衡態運動，就好比“白天數星星”。“多虧我們自主研發的超高靈敏度的探測器。就好像白天用肉眼看廣場上的蠟燭，往往看不見。這種探測器就像給我們戴上了望遠鏡，能夠聚焦到電子的非平衡態運動。”此外，太赫茲冷光學共聚焦顯微技術和超分辨掃描近場光學技術，也是此項成果的好幫手。
隨著微電子器件尺度按摩爾定律不斷向納米尺度減小，對于電子運動規律的認識也從平衡態理論向非平衡態理論的發展。在陸衛看來，這一發現補充了電子運動的理論基礎。《科學》雜志四位評審論文的專家也不約而同亮出了“通過”。其中一位評委表示，關注半導體中非平衡態過程研究的眾多科學家將受益于該成果。
這項研究將對后摩爾時代納米器件的熱管理與能源效率提升和太陽能電池等光電轉換效率的提升帶來幫助。“電子現在工作一段時間后都會發熱，這部分熱能我們是不需要的。在這項發現的幫助下，我們可以盡可能減少這部分熱能的產生。”陸衛表示，“就好比現在我們是讓發燒的人服用退燒藥，以后我們要做到不讓他們發燒。”或許未來，因為這項成果，我們的計算機會速度更快、耗電更少，手機的待機時間也更長。
據悉，這項研究持續了近6年。“我們認準了電子的非平衡態研究會帶來驚喜，但得出這樣的結論也是偶然。我們有一位博士生也為此付出了五年的辛勤研究。”陸衛說。
