物理教科书要改写啦！利用热电子新发现，未来手机“煲电话”十几小时不会发烫

芯片遭遇摩尔定律瓶颈？太阳能电池效率提升困难？这些困扰产业界的瓶颈，都源自同一个物理难题——电子发热。

经过五年多攻关，中国科学院上海技术物理研究所联合复旦大学的科学家，自主研制出高灵敏度仪器，发现了电子在半导体材料晶格中奔跑时发热的奥秘。如能利用这一发现，重新设计集成电路、光伏发电等元器件，有望使它们的性能得到大幅提升，比如手机“煲电话”十几小时也不会发烫罢工。近日，美国《科学》杂志发表了相关论文。

电子发热耗散能量？因为它会如瀑布般跌落

白炽灯泡中的钨丝，总是在最细的地方最先熔断，因为那里的电阻最大——在奔跑中受到阻碍的电子就会损失能量，大量发热，甚至使整个灯泡热到烫手。“电阻越大的地方，热量越多”是中学物理教科书里的金科玉律。

电子在原子构成的“河道”中奔跑时，因各种碰撞跌落而损失能量并发热，这也是集成电路产业最头疼的问题之一——随着芯片越做越小，芯片耗能发热日益剧烈，处理效率提升困难。

这个从386芯片时代就存在的难题，科研人员一直不明白问题究竟出在哪里。“这就好像很多癌症没有被发现，是因为没有灵敏的检测手段。”论文通讯作者之一、技物所所长陆卫研究员说，为了搞清楚电子在芯片中发热的过程，他们研制出了世界上灵敏度最高的热电子红外探测仪，发现了纳米尺度下，电子不同于宏观世界中的奇特现象：当电子通过狭窄的“河道”时，并未如预期地发热，而是在快速跑出百纳米之后才大量发热。

这显然和教科书相违背！复旦大学安正华研究员介绍，经过仔细分析发现，原来电子在通过大电阻的“河道”狭窄处时，由于速度加快，进入了与平稳流动的平衡态不同的激发态，而再次进入正常“河道”时，又会从激发态回到平衡态，此刻就会释放大量热能——就好比一道瀑布，上游和下游都是平缓的河水，只有在跌落与入潭的过程中，水滴所处的运动状态与沸水相似。

“这个有趣的发现说明，电子并非在电阻最大出发热，而是在从‘电阻瀑布’跌落后才损失能量。”陆卫说，如果可以利用这一发现，设计新的元器件，让电子在跌落电阻“瀑布”的“谷底”前被接住，就能操纵激发态的电子，让它们尽量少损失能量，减少发热的同时，还能提高芯片处理效率——这为设计更理想的手机芯片提供了新的可能途径。

同理，利用新发现来设计太阳能光伏电池，就有可能突破目前发电效率停留在20%左右的瓶颈，甚至可能超过90%。

相信学生能力，五年不发论文专攻难题

《科学》杂志审稿人给予了这篇论文以很高的评价，认为“作者报道了非常原创性的远离平衡态电子的局域温度测量工作”“对介观物理和量子电路的信息处理具有重要的价值”。

因为，当微电子器件尺度按摩尔定律进入百纳米尺度时，电子的运动规律就会从平衡态向非平衡态变化。而人类对于电子运动规律的认识也将面临新的挑战。美国基础能源科学顾问委员会的一份报告就将“对电子非平衡态，尤其是远离平衡态的表征和操控”列为当前科学上面临的五大挑战之一。

“研制出世界最先进的热电子显微镜，是得到这个新发现的关键。”陆卫的博士生、论文第一作者翁钱春为此付出了五年多的辛勤努力。如今在东京大学做博士后的他，曾经五年没有发一篇与该工作相关的论文，为了守实验、做研究，直接就住进了实验室。

“东大接受翁钱春做博士后时，这篇论文还没发表，但对方看中了他的实际能力。”陆卫说，这台显微镜的特点就是可以一个个像素地仔细观察电子在通过狭窄“河道”之后所发出的红外波段的光子——只有处于非平衡态的电子才会发出几个光子的微弱信号，所以平时这些信号早就被淹没在平衡态电子的洪流之中。

在整个团队的努力下，这台显微镜从材料、设计到制造完成，全部由国内自主完成。

在一定程度上摆脱现有教育体制的限制，鼓励年轻学子在最富创造力的年龄挑战世界难题，这既需要导师的心胸视野，也需要学生的淡定坚持。这一新成果又为创新人才的培养添上了精彩一笔。

文：本报首席记者 许琦敏

图：袁婧

编辑：金婉霞

责任编辑：姜澎

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