光场调控的本征金属中PHz级超快电流及其在太赫兹电子器件中的应用

本研究通过原子层沉积技术(ALD)制备Ir/Al2O3纳米层状材料，首次在金属体系中实现了光场控制的皮赫兹(PHz)频段电流定向输运。研究人员利用载波包络相位(CEP)稳定的飞秒激光，在纳米金属层中诱导产生超快定向电流，电流产额较纯介质提高40倍，为开发PHz超快光电子器件提供了新思路。

　　

在现代信息技术飞速发展的今天，电子器件的运行速度已经接近传统半导体材料的物理极限。当电子设备的工作频率达到太赫兹(THz)甚至皮赫兹(PHz)量级时，传统半导体中载流子的迁移率和寿命等特性成为制约因素。这一瓶颈促使科学家们将目光投向金属材料——这些天然具有高浓度自由电子的导体能否突破现有局限？来自未知机构的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究给出了肯定答案。

研究团队创新性地采用原子层沉积(atomic layer deposition, ALD)技术制备了铱(Ir)和氧化铝(Al₂O₃)交替堆叠的纳米层状材料。通过载波包络相位(carrier-envelope phase, CEP)稳定的飞秒激光激发，首次在金属体系中观测到皮赫兹(PHz)频段的定向电流。这一突破性发现不仅拓展了超快光电子学的研究范畴，更为开发下一代超高速电子器件提供了全新材料平台。

关键技术方法包括：1)采用CEP稳定的钛宝石激光振荡器系统；2)原子层沉积技术制备Ir/Al₂O₃纳米层状样品；3)锁相放大技术检测CEP依赖的电流信号；4)Z扫描技术测量三阶非线性极化率χ⁽³⁾；5)密度泛函理论(DFT)计算能带结构。

【实验结果】
实验设置方面，研究人员构建了包含25个重复单元的Ir/Al₂O₃纳米层状结构，单层Ir厚度精确控制在0.24-3.84nm。通过楔形扫描技术证实了金属纳米层对CEP的敏感性，在0.6V/?场强下获得清晰可辨的1kHz调制信号。

超快电流特性研究显示，随着金属体积分数f从0%增至55%，电流幅值J_0,max呈线性增长趋势，最大增幅达40倍。特别值得注意的是，在单层3.5nm金(Au)样品中也观察到13倍的电流增强，证实了金属本征特性对超快电流的贡献机制。

非线性光学特性分析发现，电流幅值与三阶非线性极化率满足J_0,max∝√|χ_Re⁽³⁾|的经验关系。通过DFT计算获得的Ir能带结构显示，费米面附近存在丰富的带间跃迁通道，为理解金属中光致超快电流的产生机制提供了理论基础。

【讨论与结论】
研究揭示了金属纳米层中光致超快电流的产生主要源于导带内电子的非线性运动。在动态局域化参数γ_DL>1的条件下，电子波包经历布洛赫振荡(Bloch oscillations)，产生非对称的极化响应。这种机制完全不同于介质和半导体中依赖价带-导带跃迁的虚拟载流子模型。

该研究的科学意义在于：1)首次在金属材料中实现光场控制的PHz电流；2)建立了金属纳米层厚度与电流产额的定量关系；3)揭示了导带内非线性动力学在超快光电子学中的重要作用。这些发现为开发PHz逻辑门、存储器和波导集成等超快光电子器件提供了新的材料选择和设计思路，将推动信息处理技术向更高频段发展。