一组来自堪萨斯大学超快激光实验室的研究人员最近在石墨烯内成功捕获了电子的实时弹道传输，通过这一技术，未来可能实现更快、更强大、更节能的电子设备。传统的电子运动在固体中常因与其他粒子的碰撞而中断，导致速度减慢、能量损失和多余的热量。然而，如果能够防止这些碰撞，电子就能够在固体中无阻碍地移动，类似于弹道导弹在空气中传播的方式。相关研究成果已发表于ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08816)。

超快激光技术的应用

超快激光器具有超高时间分辨率，是研究电子在非常短时间尺度内弹道传输的理想工具。该实验的关键是通过超快激光技术实时跟踪石墨烯内电子的弹道运动。

石墨烯的特殊性质

石墨烯是由单层碳原子形成的六角晶格结构，具有许多独特的特性，使其成为下一代电子设备的有望材料。光能够为电子提供能量，使其自由移动，并在原来的位置留下一个“空穴”。然而，在石墨烯中，电子在落回空穴之前只能保持极短的移动时间，这对于追踪它们的运动提出了挑战。

结构设计

为了解决这一挑战，研究团队设计并制造了一个四层人造结构，其中两个石墨烯层由二硫化钼和二硒化钼隔开。通过在两个石墨烯层之间插入两个单层半导体，电子和空穴被分开，延长了电子在石墨烯中移动的时间。

实验装置和测量方法

研究团队使用一种基于超快激光器的瞬态吸收显微镜来观察石墨烯的弹道运动。这种技术能够以纳米级空间分辨率解析电子的运动。通过释放大约20,000个电子并使用激光探测电子引起的样品反射率的微小变化，研究人员能够实时追踪电子的弹道运动。

实验结果和前景展望

通过超快激光测量绘制出石墨烯内电子的位移与时间图。

通过超快激光测量，研究人员获得了关于石墨烯内电子位移与时间关系的图表。他们发现，电子在平均弹道运动时间约为20万亿分之一秒，速度为每秒22公里。相较于传统的电探测技术，全光学超快激光技术提供了更高的分辨率，使得探索电子传输的弹道和相干范围变得可能。

未来展望

这一突破意味着通过弹道传输的电子设备可能会更快、更强大、更节能，从而减少了延迟和热量问题。研究人员计划利用这项技术来进一步研究如何通过电场和其他手段控制电子运动，并探索新的设备设计以延长电子的弹道传输长度。这项工作得到了美国能源部的支持。

这一研究不仅在理论上对电子传输提供了新的认识，而且通过创新的实验方法和人造结构的设计，为未来电子设备的发展提供了新的可能性。

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