同样的水流，瀑布底部远比平静的河面要水花四溅。在纳米尺度下，电子也会如同水花一样，最高温不在电流最大处，而是偏向电流流动的方向。中科院上海技物所红外物理国家重点实验室研究员陆卫和复旦大学研究员安正华的科研团队共同合作，通过散粒噪声对非局域热电子能量耗散进行空间成像研究。相关论文日前在线发表于《科学》杂志。
电子被发现1个多世纪以来，已成为微电子和光电子技术的物理学基石。随着微电子器件尺度按摩尔定律不断向纳米尺度减小，对于电子运动规律的认识将面临着从平衡态理论向非平衡态理论的发展。然而，如美国基础能源科学顾问委员会报告所指出的，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。对于电子的非平衡态特征下运动行为，特别是将电子运动行为，从其所依附的晶格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。
按平衡态理论，人们预测，在微电子器件中电流最大的位置往往会是电子温度最高的地方。上海科研团队发现，在纳米尺度结构中，电子温度最高之处并非在电流最大位置，而是明显地向电流的流动方向偏离了，而且电子的温度高于晶格温度很多倍。研究人员从理论和实验两方面证实，这种奇异特性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作近似的形象比对。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，平稳的水流没有明显水珠四射的噪声特征；然而，一旦通过河床地貌断崖式下降处，水流会经历在重力作用下被加速的过程，水流冲击到河床低谷处就出现了水珠四射的巨大噪声特征，此时的水流已经不再完全依附于地貌之上，如同水被高温加温后沸腾一般。如果一定要用一种等效温度来描述此处的水温，那么只有很高的水温才能形成如此沸腾的非平衡态。
如果将纳米尺度中的电流比作水流，通过在器件源和漏二端加电压，纳米尺度下的强电场形成对电子很大的加速度。可以想象会有类似“湍急的水流”在漏的那端，电子会出现类似沸腾的状态，如同有非常高的等效电子温度，远比其所依附的晶格温度高得多。
非平衡输运热电子的实验检测在技术上具有极大的挑战。研究人员采用了一种可以检测热电子散粒噪声的红外近场显微镜技术，即扫描噪声显微镜技术。其基本机理是非平衡态电子的电流强烈涨落形成的散粒噪声，会直接导致近场甚长波红外辐射。通过高灵敏的红外近场检测，可实现仅测量到非平衡态电子特性，而不反映出与晶格温度达到平衡的平衡态电子特性，从而为直接观察在纳米结构中电子的非平衡态乃至远离平衡态的特性提供了独特的方法。（作者 耿挺）