半导体是智能手机、笔记本电脑等现代电子设备的关键材料，其内部能量如何传递与散失，长期以来是研究重点。研究人员指出，当半导体中的电子在光照或外加电压作用下被激发，电子会带动原子晶格运动，形成声子（晶格振动）。这些晶格振动与电子及彼此之间的相互作用，决定了能量在材料内部的重新分布效率以及材料升温程度。

巴塞尔大学物理系与瑞士纳米科学研究所的研究团队近日报告称，他们在常用于计算机技术的半导体材料锗中，实现了对能量流动过程的高精度测量。相关论文已发表于《Advanced Science》。

30飞秒激发后，能量在电子与晶格间逐步转移

研究团队开发并应用了一套测量方案，在超短激光脉冲（30飞秒）激发后，追踪电子与声子在晶格中的运动及能量交换。论文第一作者格拉齐亚·拉西蒂（Grazia Lassiti）博士表示，研究首次通过两种光谱技术的结合，观察到能量如何一步步从电子系统传递到晶格，并能记录激发后晶格振动的频率、强度与持续时间随时间的变化。

两种光谱联用，捕捉极微弱信号

研究采用的两项关键技术分别为时间分辨拉曼光谱与瞬态反射光谱：前者用于测量原子晶格振动的细微变化，后者用于记录短暂激发后材料光学响应的变化。

团队称，实验难点在于信号极其微弱且相互作用发生在极短时间尺度内。测量持续48小时，系统以每微秒一次的频率接受短激光脉冲激发，而样品在激发后的响应发生在皮秒尺度。研究员贝戈尼亚·阿巴德·马约尔（Begonia Abad Mayor）博士以比喻说明这一时间尺度差异：若将两次激光脉冲间隔（实际为1微秒）类比为10天，那么在半导体中记录到的样品响应仅相当于1秒。

研究人员表示，该方法实现了对强度变化小于1%、频率变化小于0.2 cm⁻¹的检测能力，从而在原子级时间与能量分辨率下区分不同能量损失机制。团队同时结合先进计算机模拟，以进一步解释测量结果对应的物理过程。

为理解器件发热与能量耗散提供基础数据

研究综合实验与模拟结果，描绘了锗在超快激发后能量如何分布并逐步耗散的过程。项目负责人伊拉里亚·扎尔多（Ilaria Zardo）教授表示，这项基础研究有助于理解并推动现代电子技术及新型声子器件的发展，并可能为更优芯片、传感器等电子设备的研发提供支撑。