科學家修正基爾霍夫電流定律

　雖然物理定律不是隨便就可以推翻的，但是它們有時也需要修正。美國伊利諾斯大學電子和計算機工程教授米爾頓·馮和小尼克·侯隆亞克等研究人員通過開發(fā)出的三端口晶體管激光器（three-port transistor laser），對基爾霍夫電流定律進行了修正。
　　基爾霍夫電流定律于1845年由古斯塔夫·基爾霍夫所發(fā)現(xiàn)。該定律又稱節(jié)點電流定律，其內(nèi)容是電路中任一個節(jié)點上，在任一時刻，流入節(jié)點的電流之和等于流出節(jié)點的電流之和。換句話說，所有流進的電能必須全部流出。在基本的雙極晶體管中，由于只有電流輸入和輸出兩個端口，因此它可以直接適用該定律。
　　伊利諾斯大學研究人員通過使用量子阱修改基區(qū)和諧振器的外形，把晶體管的工作方式由自發(fā)發(fā)射轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぐl(fā)射。晶體管復合工藝的改變使器件特性發(fā)生了變化，使其具有一種基本的、潛在的接近激光器閾值的可用的非線性特性。三端口晶體管激光器通過把電輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€輸出信號——一個電信號和一個光信號，從而提供了新的信號混合和開關(guān)能力，把晶體管和激光器的功能結(jié)合了起來。
　　但是，新增加的光輸出第三端口帶來了意想不到的難題，即在兩種能量輸出形式并存的情況下如何運用電荷守恒定律和能量守恒定律。馮教授表示：“我們對此感到困惑。它是如何工作的？它是否違背了基爾霍夫定律？定律又如何適用于光子或光信號輸出的？”
　　侯隆亞克教授說：“光信號與電信號相連和相關(guān)，但在晶體管激光器中光信號和電信號的關(guān)系則被解除。基爾霍夫定律照顧到了電荷平衡，卻沒有照顧到能量平衡。由此帶來的問題是，如何將該定律適用于所有情況，并以電路的語言將其表達出來。”
　　最終，三端口晶體管激光器所表現(xiàn)的特性促使研究人員對基爾霍夫定律進行了再檢驗和修正，以使其能適用于解釋電子和光子，從而有效地將電流定律擴展為電流—能量定律。在5月10日的《應用物理雜志》網(wǎng)絡版上，研究人員發(fā)表了有關(guān)的模型和支持數(shù)據(jù)。
　　馮教授表示，過去的定律僅與從給定節(jié)點流出的電子相關(guān)，從不涉及能量守恒的問題。他說：“這是我們首次看到能量是如何參與到守恒過程中的。”
　　基于修正定律的計算機模型與從三端口晶體管激光器收集的數(shù)據(jù)相符，可非常精確地預測出集成電路的頻寬、速度和其他特性。通過研究三端口晶體管激光器中電子、光子和半導體的行為，研究人員將可開發(fā)出該器件在高速信號處理、集成電路、光通信及超級計算中的多種應用。