Elektronų švyturys: lazerių sukuriama kryptinga srovė

Įsivaizduokite švyturį, tačiau pluoštą sudaro elektronai. Du preciziškai sureguliuoti lazeriniai impulsai susiduria mažoje puslaidininkinėje struktūroje ir be jokio išorinio įtampos šaltinio siauras elektronų srautas iššoka pasirinkta kryptimi. Pasukite lazerių poliarizaciją ir elektronų spindulys paslenka. Efektas yra valdomas. Jis tikslus. Jis kyla iš kvantinės interferencijos, o ne iš tradicinio elektrinio stūmimo.

Kaip dvi spalvos nukreipia elektronų spindulį

Eksperimentinis įrenginys, sukurtas Mičigano universitete ir paskelbtas mokslo žurnale, naudoja du faziškai suderintus optinius laukus skirtingomis bangų spalvomis, kad puslaidininkiame susidarytų konkuruojantys absorbcijos keliai. Kiekvienas fotonų paketas sužadina krūvių nešėjus. Kai šie sužadinimo keliai susikerta, jų tikimybės amplitudės interferuoja. Kai kuriose kryptyse interferencija sustiprina elektronų tekėjimą, kitur ji jį panaikina. Rezultatas yra kryptinis fotopotėkis, sukurtas vien tik šviesos poveikiu.

Kai du skirtingų spalvų lazerių impulsai (du bangų pavyzdžiai vaizdo viršuje) susikerta naujame Mičigano universiteto įrenginyje, tyrėjai sukuria elektronų spindulį (maži aukso spalvos taškai), kuris teka pasirinkta kryptimi. Keisdami lazerių spalvas, elektronų spindulys gali nubrėžti skirtingas trajektorijas, panašiai kaip švyturio šviesos būgnas.

Nėra išorinio akumuliatoriaus ar kontaktų, kurie nustatytų krūvių kryptį. Vietoje to tyrėjai keičia dviejų lazerių laukų santykinę poliarizaciją ir taip perorientuoja bendrą impulsą, perduodamą elektronams. Trumpi sakiniai. Aiškus valdymas. Steven Cundiff, vyresnysis straipsnio autorius, tai apibūdino kaip būdą "išspaudinti elektronus tam tikra kryptimi nebandant taikyti elektrinio lauko."

Ankstesni eksperimentai parodė, kad šviesa gali sukelti srovę be įtampos, bet išėjimas tada buvo difuzinis. Mičigano universiteto komanda sutelkė tuos krūvius į siaurą, valdomą spindulį. Yiming Gong, vadovavęs daugeliui prietaiso darbo etapų, pabrėžė, kad efektas kyla iš pagrindinės kvantinės fizikos: sutampančių optinių absorbcijos procesų, kurie baigiasi toje pačioje elektroninėje būsenoje.

Ką tai gali reikšti optikai ir mikroschemoms

Praktinė nauda neatsiranda automatiškai. Vis dėlto mechanizmas yra patrauklus srityse, kuriose šviesa ir elektronika turi sąveikauti labai ribotose erdvėse. Ant lustų esančios fotoninės jungtys galėtų naudoti valdomus fotopotėkius signalams maršrutuoti, jutikliai galėtų išnaudoti kryptinį jautrumą poliarizacijai ar fazei aptikti, o telekomunikacijų įranga galėtų gauti naujas informacijos kodavimo galimybes nukreipiant elektronų srautus vietoj vien tik įtampos ar krūvio injekcijos.

Eksperimentą paversti pramoniniais įrenginiais bus techninis iššūkis. Tikslus fazinis suderinimas, stabili poliarizacijos kontrolė ir gamybos procesai, kurie pašalintų netyčinius elektrinius laukus, yra kritiškai svarbūs. Gong aprašė valandas trukusius bandymus Lurie nanofabrikacijos centre, ieškant medžiagų receptūrų ir temperatūrų, kurios užkirstų kelią netyčiniams laukams nustelbti optinį efektą. Svarbūs buvo maži niuansai. Svarbios buvo smulkios priemaišos. Užsispyrimas atsipirko.

Finansavimą suteikė JAV Nacionalinis mokslo fondas, o darbas jungia teoriją su eksperimentu. J. E. Sipe iš Toronto universiteto buvo prognozavęs „elektronų švyturį“, varomą optinės interferencijos. Mičigano komanda tą prognozę pavertė veikiančiu prietaisu, parodydama, kad kvantinė optinė kontrolė gali generuoti makroskopines, kryptingas sroves.

Ekspertų įžvalga

"Tai fizika, kuri išlygina ribas tarp optikos ir elektronikos," sako dr. Elena Ramirez, optoelektronikos tyrėja, nesusijusi su projektu. "Naujovė yra ne tik tai, kad šviesa sukuria srovę; svarbiausia yra jos formavimas per subbangu masto kontrolę. Jei inžinieriai sugebės integruoti tai į fotonines grandines, galima tikėtis greitesnio ir mažesnės galios reikalaujančio informacijos maršrutizavimo ant lustų, kuriuose optiniai ir elektroniniai signalai turi būti griežtai sinchronizuoti."

Ramirez prideda pastabą. "Laboratoriniai demonstravimai dažnai reikalauja idealių sąlygų, kurių sunku laikytis masinės gamybos metu. Kitas žingsnis yra patikimumas: ar efektas išlieka esant temperatūros svyravimams, gamybos nuokrypiams ir triukšmingai aplinkai? Jei taip, taikymo galimybės tampa labai patrauklios."

Išvada

Mičigano universiteto prietaisas demonstruoja įdomią galimybę: šviesa ne tik sukuria elektros srovę, bet ir gali ją nukreipti. Tas valdymas kyla iš kvantinės interferencijos tarp skirtingų optinių absorbcijos kelių ir suteikia naują prieigą optoelektroniniam dizainui. Paversti šią demonstraciją technologijomis, skirtomis jutimui, vaizdavimui ar ryšiui, reikės inžinerinių pastangų, tačiau pati fizika jau yra reali ir pakartojama. Mokslininkams, kurie stumia fotonų ir elektronų sujungimą, tai yra palaikantis švyturys.