近期據外媒novuslight消息，德國弗里茨·哈伯研究所和馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所通過聯合研究發現，激光脈沖可以讓材料特性發生超快轉換。未來，這一研究發現將開啟全新晶體管研制的道路。
在當前的材料研究領域，盡可能提高電子技術的運算速度是核心問題，而快速計算技術的關鍵組件是晶體管。作為邏輯運算中的基本步驟，電路開關中的晶體管控制著電流的瞬時開、關。
為了提高對理想晶體管材料的了解，物理學家們一直在努力尋找新的方法來實現“極快開關”。現在，德國研究人員通過運用激光技術，成功研制出一種新型的超快開關。參與該研究項目的科學家，試圖找到改變材料特性的最佳方式，例如使磁性金屬變得沒有磁性，或者改變晶體的電導率。
飛秒激光脈沖以前所未有的速度，驅動了半金屬晶體中的電子躍遷（圖片版權：Sam Beaulieu博士）
幾十年來，控制電子排布始終是晶體管研究領域的關注焦點。但以前嘗試過的各種方式，在速度方面還是沒能達到理想效果。弗里茨·哈伯研究所物理化學系主任Ralph Ernstorfer表示：“我們知道諸如溫度或壓力變化之類的外部影響會起到一定的作用，但其過程還是要花費至少幾秒鐘的時間，這對于控制電流還是顯得太慢。”
對于經常使用計算機和智能手機的人來說，幾秒的等待時間都顯得非常漫長。因此，Ralph Ernstorfer團隊的任務是通過使用激光脈沖，讓材料的特性發生瞬時轉變。研究團隊使用了弗里茨·哈伯研究所的激光脈沖設備，通過向一種半金屬材料（包含了鎢和碲原子）發射超短脈沖激光，成功將材料電子排列轉變的時間縮短至100飛秒。
研究人員發現，晶體受到激光照射后，其內部的電子結構會迅速進行組合，這就實現了改變材料電導率的效果。團隊成員Samuel Beaulieu談到：“研究人員使用了一種新儀器記錄材料特性轉變的整個過程，這是一項了不起的研究成果。以往我們只對材料穩定態的電子結構有所了解，這是首次觀測到材料電子結構的變化過程。”
費米面概述圖
同時，研究團隊還對這種新工藝方法進行了建模，從而揭示了材料特性實現瞬時轉變的原因。撞擊在材料上的激光脈沖，能瞬時改變材料電子相互作用的方式。因此，激光脈沖也是行業熟悉的“Lifshitz transition”（費米面拓撲相變）的原始驅動力。
費米面
費米面是最高占據能級的等能面，是當T=0時電子占據態與非占據態的分界面。一般來說，半導體和絕緣體不用費米面，而用價帶頂概念。金屬中的自由電子滿足泡利不相容原理，其在單粒子能級上分布幾率，遵循費米統計分布。
在當前的固體物理學中，對費米面的構造沒有詳細闡述。費米面附近的電子對金屬性質有重要影響，了解和掌握費米面的構造是理解金屬中電子的物理特性的根本問題。
2016年諾貝爾物理學獎三位獲獎者素描像
拓撲相變
拓撲學是數學的一個分支，主要研究內容是幾何形狀在連續形變中所不改變的性質，研究的是“不連續”的特征。相變是指物質在外界條件發生連續變化時，從一種“相”突然變成另一種“相”的過程。日常生活中，最常見的“相”是氣態、液態和固態。在一些極端條件下，比如在極高的溫度或極低的溫度下，會出現很多奇異的狀態。
一般物質都是按照一定的規律排列的，比如冰是水分子按照網格排列起來形成的固態。物理學上，固態是一種“相”。冰加熱后就變成了液態水，那是另一種“相”。這時，水分子的排列依舊是有規律的，只是發生了變化。從固態的冰到液態的水，這樣的變化就可以稱為“相變”。
拓撲相變就是在兩個拓撲之間轉變，必須結合在一起成對地應用，不能單獨應用。想象一下，如果在你的浴缸里，有兩個旋轉方向相反的水流，但是他們同時出現。拓撲相變就是描述成對結合到分離的拓撲激發的過程。2016年，諾貝爾物理學獎的三位獲得者，戴維·索利斯（David Thouless）、鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）和邁克爾·科斯特立茨（Michael Kosterlitz）對于物理學中拓撲理論的運用在他們做出發現的過程中發揮了關鍵性作用。
有關拓撲學原理的基礎性研究，為“超級材料”的研發奠定了基礎。比如拓撲絕緣體材料是一種邊界上導電，體內絕緣體的新型量子材料。導電的邊界態由于獨特的物理特性，在導電過程中不會發熱。如果能將拓撲絕緣體材料制成手機芯片，就有希望解決手機在充電或長時間使用時的發燙問題。電從發電廠到家庭用電的傳輸過程中，存在著大量損耗。如果采用超導材料或者拓撲絕緣體材料，就能大幅降損耗，實現高效節能。
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