在“湍急的电流”中，电流最大位置是否温度最高之处呢？解放日报·上观新闻记者获悉，日前，中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室陆卫研究员和复旦大学安正华研究员的科研团队共同合作，首次揭示了在100纳米尺度结构中，电子温度最高之处并非在电流最大位置，而是明显地向电子流动的方向偏离了。该重大发现于日前在《科学》杂志在线发表，从理论和实验两方面证实了这种奇异特性就来自“热”电子的非平衡态特征。

“电子的这种新奇运动行为可以与常见的水流特性做一种近似的形象比对。”陆卫研究员介绍，在平坦的小河中，水流处于平衡态，缓慢流动的水与地貌相依相存，没有明显水花四溅的噪声特征；然而，一旦通过河床地貌跳崖式下降处，也就是 “飞流直下三千尺”时，水流会在重力作用下被加速，冲击到河床低谷处就出现了水花四溅的巨大噪声特征，形成了非平衡态。他们发现，同样地，在纳米尺度下，强电场形成了对电子很大的加速度，出现了“湍急的电流”，电子也会出现类似沸腾的非平衡状态——仿佛飞了起来。“实验发现，电子温度最高之处并非在电流最大位置，而是明显地向电子流动的方向偏离了，最高可达约1700度。”安正华研究员说。

陆卫研究员（右）和安正华研究员（左）

我国每年要花费2千多亿美金进口集成电路，远远超过原油进口。随着微电子器件尺度按摩尔定律不断向纳米尺度减小，人类对于电子运动规律的认识将面临从平衡态理论向非平衡态理论的发展。美国基础能源科学顾问委员会指出，当前科学上面临的五大挑战之一就是对非平衡态尤其是远离平衡态的表征和操控的研究。

信息化时代本质上得益于人类在固体材料中对电子行为的调控能力，但迄今为止器件的应用仍局限于近平衡状态的“冷”电子。对于电子的非平衡态特征下的运动行为，特别是将电子运动行为从其所依附的背景干扰下提取出来，对于认识和操控非平衡“热”电子进而增强器件功能有着重要作用。比如，目前硅的光电转化效率还很低，大概只有16%，很多能量转化成了热能。未来，借助这一发现，对于后摩尔时代纳米器件的热管理与能源效率提升，以及大幅提升太阳能电池等光电转换效率，都有着可期的应用前景。

正如在晴朗的天空下，人们难以用肉眼观测到星星，对非平衡态下热电子的实验检测长期以来缺少直接观测的手段，在技术上具有极大的挑战。该科研团队通过6年的攻关自主研发了超高灵敏度的探测器，通俗地说也就是热电子显微镜，成为了获得该重大发现的关键手段。

4位审稿人一致通过对该论文的评审，其中一位审稿人认为该研究报道了非常原创性的远离平衡态的电子局域温度测量实验工作，对物理和量子电路的信息处理具有重要的价值，关注半导体中非平衡态过程研究的众多科学家将受益于该工作。