粘性电子学：流体状电子正在释放新的技术可能性

Josiah02 · 发表于 2024-10-23 23:01:38

在高中科学课上，我们了解到将电缆插入电路会引发电子流，为从灯到手机等各种设备供电。传统上，我们通过这个简单的模型来了解电子在金属和半导体中的行为：电子被想象成微小的独立粒子，就像高速公路上的汽车一样——每个电子都自由移动，彼此之间没有太多相互作用。
这是一个简单的观点，多年来一直是电子学的基础，帮助我们理解和设计支撑现代生活的电子设备。
然而，这种传统观点在某些新兴量子材料（如超薄、高导电材料石墨烯）中并不适用。在这些材料中，电子的行为方式与高速公路上的单辆汽车不同，而是像油一样共同作用。这一发现可能会对未来广泛技术的发展产生变革性影响。
新加坡国立大学设计与工程学院材料科学与工程系助理教授丹尼斯·班杜林和他的团队正在探索量子材料如何在纳米尺度上与电磁辐射相互作用，以揭示新的科学现象及其在开发未来技术中的潜在用途。
研究小组在最近发表在《自然纳米技术》杂志上的一项研究中报告称，当石墨烯暴露于太赫兹频率的电磁辐射时，电子流体会升温，其粘度会急剧降低，从而导致电阻降低——就像油、蜂蜜和其他粘稠流体在炉子上加热时更容易流动一样。
推进太赫兹波探测前沿
太赫兹 (THz) 波是电磁波谱中一个特殊且技术难度较大的部分，位于微波和红外光之间，具有广泛的潜在应用。能够探测到 THz 波可能会带来重大技术进步。
例如，在通信领域，目前的 Wi-Fi 技术工作频率为几 GHz，限制了可以传输的数据量。太赫兹辐射的频率高得多，可以作为超高速（超越 5G 网络）的“载波频率”，为物联网 (IoT) 连接设备、自动驾驶汽车和无数其他应用提供更快的数据传输。
在医学成像和工业质量控制方面，太赫兹波可以穿透多种材料，可用于非侵入式扫描。它们也比 X 射线更安全，是一种高选择性和精确的成像工具。
更远的是，太赫兹视觉可以实现观测天文学，让科学家能够观察到可见光无法看到的遥远星系和系外行星。
因此，太赫兹辐射具有巨大的潜力。然而，直到最近，检测它仍然是一项重大挑战。太赫兹波的速度太快，传统半导体芯片无法处理；而对于传统的光电设备来说，速度又太慢。
粘性电子辐射热计
新加坡国立大学团队的研究表明，通过利用粘性降低效应，科学家可以制造出创新的设备，通过感应电阻的变化来检测太赫兹波。事实上，在目前的研究中，助理教授 Bandurin 和他的团队开发了一种名为粘性电子辐射计的新型电子设备。
这些测辐射热仪代表了粘性电子学（这一概念曾被认为纯属理论）的首次实际实际应用，能够极其准确、快速地感测电阻变化，原则上可在皮秒级（即万亿分之一秒）内运行。
了解和利用电子作为集体流体一起移动的方式为我们彻底重新思考电子设备的设计开辟了道路。考虑到这一点，助理教授 Bandurin 和他的团队正在积极致力于优化这些粘性电子辐射计以用于实际应用。
随着科学家在新兴的量子材料领域发现更多秘密，很明显传统的电子行为模型已不再适用。通过接受这种对粘性电子学的新理解，我们可能即将开启新一波技术可能性。

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