摘要：米兰理工大学的物理学家团队在《自然光子学》期刊发表的最新研究揭示了一个令人震惊的发现：存在于钻石中仅持续阿秒级（十亿分之一秒）的"虚拟电荷"，可能成为开启拍赫兹频率电子设备的关键，其运行速度将比现有技术快一千倍。
信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250929055000.htm
米兰理工大学的物理学家团队在《自然光子学》期刊发表的最新研究揭示了一个令人震惊的发现：存在于钻石中仅持续阿秒级（十亿分之一秒）的"虚拟电荷"，可能成为开启拍赫兹频率电子设备的关键，其运行速度将比现有技术快一千倍。
这项突破性研究首次证明，这些在光与物质相互作用期间瞬间产生的虚拟载流子，对材料的超快光学响应具有决定性影响。研究团队使用阿秒级瞬态反射光谱技术，在单晶钻石上进行实验，成功分离并观测到了虚拟垂直跃迁现象。
隐藏在量子世界的关键力量
长期以来，科学界普遍认为材料对超短光脉冲的响应主要由实际电荷载流子的运动决定。然而，这项由米兰理工大学联合筑波大学、马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所以及意大利国家研究委员会光子学与纳米技术研究所进行的合作研究，彻底颠覆了这一传统认知。
研究团队发现，虚拟电荷载流子虽然存在时间极短，仅在与光相互作用的瞬间出现，但其对材料电子能带间跃迁的影响却不容忽视。这些虚拟载流子在量子力学层面上代表了电子在能带间的临时激发状态，虽然它们无法被直接观测或测量，但却深刻影响着材料的光学性质。
米兰理工大学物理系教授兼CNR-Ifn助理研究员Matteo Lucchini表示："我们的研究表明，这些在阿秒时间尺度上演化的虚拟载流子激发，对于准确预测固体中的快速光学响应至关重要。这一发现完全改变了我们对光与固体相互作用机制的理解。"
技术革命的新起点
研究人员表明，虚拟电荷（仅在光相互作用期间激活的瞬时载流子）是了解材料如何响应超快激光脉冲的关键。这一发现可能会彻底改变未来光学和电子技术的设计，这些技术以前所未有的速度运行。图片来源：Shutterstock
这一发现的重要性远不止于基础科学研究。CNR-IFN研究员Rocío Borrego Varillas指出，这些结果标志着超快电子学技术发展的关键里程碑。拍赫兹频率设备的实现，意味着信息处理速度将达到前所未有的水平，为量子计算、超高速通信和先进光学系统开辟新的可能性。
目前的电子设备主要工作在吉赫兹频率范围内，而拍赫兹频率设备将把运行速度提高三个数量级。这种速度提升将使数据处理、信号传输和计算能力实现质的飞跃。例如，在量子信息处理领域，这样的速度提升可能使量子纠错和量子算法的执行效率大幅提高。
钻石作为实验材料的选择并非偶然。钻石具有独特的电子结构和极佳的热导率，使其成为研究超快光学现象的理想平台。更重要的是，钻石中的氮空位中心等缺陷结构已被广泛应用于量子传感和量子计算研究，这使得基于钻石的超快设备具有更广阔的应用前景。
阿秒科学的新突破
阿秒科学作为现代物理学前沿领域，专注于研究物质在极短时间尺度上的动态行为。一阿秒相当于十的负十八次方秒，是光在原子核周围传播一圈所需时间的量级。在如此短暂的时间内，电子运动和量子跃迁过程可以被精确捕捉和分析。
此次研究采用的阿秒级瞬态反射光谱技术，代表了当前时间分辨光谱学的最高水平。通过产生持续时间仅为数百阿秒的极短光脉冲，研究人员能够实时观测材料内部电子状态的演化过程。结合先进的数值模拟技术，科学家们成功分离出虚拟载流子的贡献，这在技术上是一个重大突破。
研究过程中，团队通过对比实验数据与理论计算结果，发现传统模型无法完全解释观测到的光学响应现象。只有在理论框架中加入虚拟垂直跃迁的贡献，才能与实验结果完美吻合。这一发现不仅验证了虚拟载流子的重要性，也为未来的材料设计和器件优化提供了新的理论依据。
未来应用前景
这项研究成果将对多个技术领域产生深远影响。在光电子学领域，基于虚拟载流子机制的超快光学开关和调制器有望实现拍赫兹频率操作，大幅提升光通信系统的传输速率和处理能力。在量子技术方面，对虚拟载流子行为的深入理解将为开发更高效的量子比特操控方案提供理论支撑。
此外，这一发现还可能推动新型材料的开发。通过精确调控材料的电子结构，科学家们有望设计出具有特定虚拟载流子响应特性的人工材料，为实现定制化的超快光学器件奠定基础。
该研究项目在米兰理工大学阿秒研究中心（ARC）的框架内进行，得到了欧洲研究委员会ERC AuDACE项目和意大利教育部FARE PHorTUNA项目的支持。这些国际合作项目的成功实施，展示了跨国科研协作在推动前沿科学发展方面的重要作用。
随着研究的深入，科学家们正在探索将这一发现应用于其他材料系统的可能性。从二维材料到复杂氧化物，虚拟载流子现象可能在更广泛的材料体系中发挥重要作用。这为未来十年超快电子学和光子学技术的发展描绘了令人兴奋的蓝图。
来源：人工智能学家