首个拍赫兹光电晶体管问世

近日，在一项国际合作中，美国亚利桑那大学的研究团队展示了一种利用持续时间不到万亿分之一秒的光脉冲操纵石墨烯中电子的方法。通过神奇的量子隧穿效应，研究人员成功地记录到了电子几乎在瞬间绕过物理屏障的奇妙现象。

该研究项目主要由物理学和光学科学副教授哈桑与阿拉斯加大学物理学助理教授尼古拉-戈卢贝夫(Nikolay Golubev)、光学和物理学研究生穆罕默德-森纳里 (Mohamed Sennary)、物理学博士后贾利勒-沙阿(Jalil Shah) 和光学研究生袁明瑞 (Mingrui Yuan)一起完成，随后加州理工学院喷气推进实验室和德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的同事也加入了研究行列。

研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上，并记录了这种技术如何能使处理速度达到皮赫兹范围。值得注意的是，这样的速度要比现代计算机芯片快1000倍以上。

长期以来哈桑一直在研究基于光的计算机技术，并曾领导开发了世界上最快的电子显微镜，在他看来，如果能以这种速度发送数据将彻底改变我们所知的计算方式。“我们经历了人工智能软件等技术发展的巨大飞跃，但硬件发展的速度却没有那么快。但是，依靠量子计算机的发现，我们可以开发出与当前信息技术软件革命相匹配的硬件。超快计算机将极大的促进太空研究、化学、医疗保健等领域的探索。”

研究团队最初研究的是石墨烯改性样品的导电性，石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料。当激光照射石墨烯时，激光的能量会激发材料中的电子，使它们移动并形成电流。

a在不同泵浦场强度下获取的 I-V 曲线（三次测量的平均值）。b 、 c分别根据 ( a ) 中测得的 I-V 曲线获得的电阻 (R) 和电导率随激光场强度的变化。( b )中的红线是视觉引导，( c ) 中的蓝线表示根据我们的仿真模型计算出的电导率。

但是，这些电流有时会相互抵消。而出现这种情况是因为激光的能量波上下移动，在石墨烯的两侧产生了相等而相反的电流。由于石墨烯的对称原子结构，这些电流会相互反射并相互抵消，从而不会产生可检测到的电流。

石墨烯光电晶体管中的光诱导量子电流隧穿。a 石墨烯-硅 (Si)-石墨烯光电晶体管的光学显微镜（放大图）图像及其能带结构图，黑色虚线表示费米能级。b 激光开启（蓝线）和激光关闭（红线）时测得的电流-电压 (I-V) 曲线。插图显示了激光束开启和关闭光电流信号的情况。c 石墨烯-硅-石墨烯晶体管的隧穿特性 I-V 曲线，红线为参考线。误差线表示三次扫描计算出的标准差。

如果单个电子能够滑过石墨烯，并且其旅程能够被实时捕捉和跟踪，那又会怎样呢？这种近乎瞬间的“隧穿 ”是研究小组修改不同石墨烯样品的意外结果。

研究人员利用一种经过改良、引入了特殊硅层的市售石墨烯光电晶体管，使用一种能以638阿秒的速度开关的激光，制造出了被哈桑称为 “世界上最快的太赫兹量子晶体管”。晶体管是一种充当电子开关或放大器的设备，可以控制两点之间的电流流动，是现代电子技术发展的基础。

作为参考，一个阿秒是一秒的万亿分之一，是光穿越三个氢原子所需时间。研究团队通过这种超快脉冲精确操控石墨烯能带结构，使电子在特定时间窗口集体隧穿。就像用精确到纳秒的爆破技术，让整栋楼的玻璃同时碎成相同图案。值得一提的是，这种非对称电流机制颠覆了传统光电效应。普通光电管需要持续光照维持电流，而量子隧穿电流在激光脉冲间隙依然存在。

常规晶体管受限于电子迁移率，最快运行频率约5太赫兹。新器件借助量子隧穿效应，将理论极限推至1拍赫兹（1000太赫兹）。对比来看，现在顶级CPU完成单个运算的时间，足够这种晶体管处理上千次操作。

由于一些结果是在严格的条件下取得的，包括温度和压力，因此技术落地及商业化将会面临挑战。例如如何将昂贵复杂的阿秒激光系统微型化，以及解决石墨烯大规模集成难题。目前研究团队已着手开发兼容CMOS工艺的版本，计划三年内做出原型芯片。美国专利局检索显示，他们上月提交了“量子隧穿光电逻辑门”的专利申请。

哈桑表示：“我希望能与业界伙伴合作，在微芯片上实现这种千万赫兹速度的晶体管。亚利桑那大学已经因世界上最快的电子显微镜而闻名，我们也希望因第一个千万赫兹速度晶体管而闻名。”