美國基礎(chǔ)能源科學顧問委員會報告中指出，當前科學上面臨的5大挑戰(zhàn)之一就是對非平衡態(tài)尤其是遠離平衡態(tài)的表征和操控。

按平衡態(tài)理論，人們預測在微電子器件中電流最大的位置往往會是電子溫度最高的地方。中國科學院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點實驗室陸衛(wèi)研究員和復旦大學安正華研究員的科研團隊共同合作，利用非平衡輸運熱電子的實驗檢測在技術(shù)，通過散粒噪聲對非局域熱電子能量耗散進行空間成像研究，發(fā)現(xiàn)在納米尺度結(jié)構(gòu)中，電子溫度最高之處并非局域在電流最大位置，而是明顯地向電流的流動方向偏離了，而且電子的溫度高于晶格溫度很多倍。從理論和實驗兩方面證實了這種奇異特性就來自熱電子的非平衡態(tài)特征。

該研究工作的最大挑戰(zhàn)來自于非平衡輸運熱電子的實驗檢測技術(shù)上。實驗室采用了自主研發(fā)的超高靈敏甚長波量子阱紅外探測器的掃描噪聲顯微鏡（SNoiM）技術(shù)，稱為掃描噪聲顯微鏡技術(shù)。其基本機理是非平衡態(tài)電子的電流強烈漲落形成的散粒噪聲會直接導致近場甚長波紅外輻射，通過高靈敏的紅外近場檢測可實現(xiàn)僅測量到非平衡態(tài)電子特性，從而為直接觀察在納米結(jié)構(gòu)中電子的非平衡態(tài)乃至遠離平衡態(tài)的特性提供了獨特的方法。

相關(guān)研究成果“Imaging of nonlocal hot-electron energy dissipation via shot noise”（DOI: 10.1126/science.aam9991）已于2018年3月29日獲得《Science》雜志在線發(fā)表，將對認識和操控非平衡熱電子進而增強器件功能發(fā)揮重要作用。

這項研究工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、上海市科委重大項目、中國科學院海外科學家計劃等資助。

應用掃描噪聲顯微鏡(SNoiM)進行的超高頻率(~21.3THz)噪聲的納尺度成像，(A)掃描噪聲顯微鏡的實驗裝置示意圖。(B) GaAs/AlGaAs量子阱納米器件的電子受限區(qū)域的SEM圖。（C和D）相反偏置電壓(6V)下二維實空間的近場噪聲強度信號成像，近場信號由針尖高度調(diào)制模式獲得，其中彩色表達了電子的等效溫度。(E) 近場信號與針尖高度關(guān)系，近場信號是由電壓調(diào)制模式獲得。