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超强激光科学卓越创新简报

(第七百二十六期)

2025年11月11日

上海光机所在超快光场调控拍赫兹光电流方面取得新进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室，在利用超快光场调控二维材料器件中的拍赫兹（PHz）光电流方面取得重要理论突破，首次揭示了多体相互作用在驱动拍赫兹光电流产生过程中的关键性影响。相关成果以“Lightwave control of many-body interaction-driven petahertz photocurrent”为题发表于Physical Review B上。

随着摩尔定律逐渐失效，传统半导体技术正逼近其物理极限。在此背景下，“光波电子学”应运而生。该前沿领域利用超强超快激光的振荡电场，直接在飞秒（千万亿分之一秒）甚至阿秒（百亿亿分之一秒）的时间尺度上操控电子运动，有望将信号处理速度提升至PHz量级，比当前最快的晶体管快数百万倍。此前，多项研究已成功通过激光波形控制，在不同材料中实现了光电流产生，为制造PHz级光学开关奠定了基础。然而，这些研究大多基于“单粒子图像”，将电子视为独立运动的粒子，忽略了它们之间复杂的相互作用。为了填补这一理论空白，研究人员采用了先进的非平衡格林函数理论框架，成功模拟了在强激光驱动下，电子间的多体相互作用如何影响其超快动力学行为。

研究发现，多体效应主导的光电流会引发电子间的相互作用，导致材料能带结构的重整化（图1），并直接引起光电子产生过程中随驱动光强变化的干涉现象。更为重要的是，研究人员类比传统场效应管中“栅压—源漏”调控机理，创新性地引入两束正交偏振的激光脉冲，实现了光电流“注入”与“控制”的彻底解耦；通过调节两束脉冲的相对时间延迟，证明了接近1 PHz的超高速电流调制频率。基于这一方案，研究人员不仅提出了构建PHz光波逻辑门的原理性方案，还衍生出一种测量电子退相干时间的全新技术路径。

该工作从根本上揭示了多体相互作用在PHz电流产生与调控中的核心地位，将光波电子学研究由“单粒子图像”推进至“多体关联”新阶段，为面向多体物理的新型超快、低能耗光电子器件设计提供了关键理论依据与全新技术思路。

相关研究得到了科技部重点研发计划、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、国家自然科学基金项目的支持。

原文链接

图1. 少周期激光脉冲驱动单层MoS2产生定向光电流的原理示意图

图2. 考虑电子多体相互作用的不同逻辑门构建

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