Лазерный импульс падает на тонкую плёнку MoS₂, и внутри неё закипает облако электронов с избыточной энергией. Эти горячие носители похожи на бегунов, которые стартовали с высокой скоростью, но по дороге к финишу им предстоит растерять весь запал из-за столкновений с кристаллической решёткой. Вопрос, который мучил инженеров, звучит просто: можно ли успеть вытащить этих бегунов из материала до того, как они остынут? Исследователи из Нанкина дали неожиданный ответ: скорость здесь задаёт не сам бегун, а то, как быстро решётка забирает у него энергию.
Ключ к разгадке лежит в устройстве кристалла. В MoS₂ атомы молибдена в два раза тяжелее атомов серы, и из-за этой разницы масс в спектре колебаний решётки возникает запрещённая зона около 1 ТГц. Оптические фононы, то есть высокочастотные колебания, не могут быстро распасться на акустические, низкочастотные. Энергия застревает в узком месте, как толпа на выходе из стадиона: все хотят пройти, но проём один. Это и есть фононное бутылочное горлышко. Пока фононы толпятся у выхода, они не могут отнять энергию у электронов, и те дольше остаются горячими.
Результаты оказались красноречивыми. Время релаксации фототока составило 48,5 пикосекунды для MoS₂ и всего 14,2 пикосекунды для MoSe₂. Когда пятно накачки сдвигали на несколько микрометров от контакта, время отклика почти не менялось, хотя сам сигнал экспоненциально ослабевал. Приложенное напряжение тоже не ускоряло и не замедляло быструю компоненту отклика. Всё это означает, что носители не дрейфуют под действием поля, а распространяются за счёт градиента электронной температуры, как вода, растекающаяся по горячей сковороде. Такое движение называют супердиффузией.
Самое важное сравнение было сделано с оптическими измерениями. Время электрической экстракции количественно совпало с временем рассеяния оптических фононов на акустические для всех исследованных толщин MoS₂: 5, 13 и 30 нанометров. В MoSe₂, где массы атомов молибдена и селена различаются меньше, бутылочное горлышко шире, фононы распадаются быстрее, и отклик короче. Это прямое экспериментальное доказательство: скорость устройства определяется не подвижностью носителей, а временем жизни горячих фононов.
Открытие возвращает нас к образу бегунов. Раньше казалось, что главное — это их собственная скорость, то есть подвижность электронов. Теперь видно, что дистанцию они пробегают быстрее, если на пути стоят правильные препятствия, которые не дают им остыть. Инженеры уже сегодня могут выбирать материалы с нужной разницей атомных масс, чтобы настраивать этот эффект. Сверхбыстрые самопитающиеся фотодетекторы и оптические межсоединения на основе двумерных материалов становятся ближе к реальности.
В MoS₂ атомы молибдена в два раза тяжелее атомов серы, что создаёт запрещённую зону в спектре фононов около 1 ТГц. Из-за этого оптические фононы не могут быстро распасться на акустические, и горячие носители дольше остаются энергичными.
Идея управления свойствами материала через колебания решётки перекликается с концепцией «фононных компьютеров» из научной фантастики, где информация переносится тепловыми волнами, а не электронами.