科学家修正基尔霍夫电流定律

尽管物理定律不容易被推翻，但它们有时需要被修正。美国伊利诺伊大学电子和计算机工程教授米尔顿·冯和尼克·霍伦亚克等研究人员通过研制三端口晶体管激光器，对基尔霍夫的现行定律进行了修正。基尔霍夫电流定律是古斯塔夫·基尔霍夫在1845年发现的。该定律也称为节点电流定律，其内容是流入一个节点的电流之和等于电路中任何节点上任何时刻流出一个节点的电流之和。换句话说，所有流入的电能都必须流出。在基本双极晶体管中，由于电流输入和输出只有两个端口，所以可以直接应用该定律。伊利诺伊大学的研究人员通过使用量子阱改变基极区和谐振器的形状，将晶体管的工作模式从自发辐射改为受激辐射。晶体管复合过程的改变改变了器件特性，使其具有接近激光阈值的基本的、潜在可用的非线性特性。三端口晶体管激光器通过将电输入信号转换成电信号和光信号这两种输出信号，结合了晶体管和激光器的功能，提供了新的信号混合和切换能力。然而，新增加的第三个光输出端口带来了意想不到的困难，即当两种形式的能量输出同时存在时，如何应用电荷守恒定律和能量守恒定律。冯教授说:“我们对此感到困惑。它是如何工作的？这违反了基尔霍夫定律吗？该定律如何应用于光子或光信号输出？”侯龙亚克教授说:“光信号和电信号是相互联系和相互关联的，但是晶体管激光器中光信号和电信号之间的关系被消除了。基尔霍夫定律关注电荷平衡，而不是能量平衡。问题是如何将法律适用于所有情况，并用电路语言来表达。”最后，三端口晶体管激光器的特性促使研究人员重新检查和修改基尔霍夫定律，使其适合解释电子和光子，从而有效地将电流定律扩展到电流能量定律。在5月10日的《应用物理杂志》在线版中，研究人员公布了相关模型和支持数据。冯教授说，过去的定律只与从某个节点流出的电子有关，与能量守恒无关。他说:“这是我们第一次看到能源如何参与保护过程。”基于修正定律的计算机模型与从三端口晶体管激光器收集的数据是一致的，并且可以非常准确地预测集成电路的带宽、速度等特性。通过研究电子、光子和半导体在三端口晶体管激光器中的行为，研究人员将能够开发该器件在高速信号处理、集成电路、光通信和超级计算中的各种应用。