Когда два луча разных цветных лазеров (две волны в верхней части изображения) встречаются в новом устройстве, созданном в Мичиганском университете, исследователи получают пучок электронов (маленькие золотистые частицы), который движется в контролируемом направлении. Изменяя цвет лазера, можно заставить электронный пучок двигаться в разных направлениях, как луч маяка. Фото: Имин Гонг

Управляемый светом электронный ток может открыть новые возможности для сенсорики, телекоммуникаций и других передовых технологий.

Пара лазерных лучей теперь может направлять электроны через полупроводник в выбранном направлении без использования внешнего источника питания. Исследователи из Мичиганского университета создали это устройство, чтобы изучить ранее не наблюдавшийся физический эффект и продемонстрировать, что свет сам по себе может генерировать электронный ток и управлять им.

В перспективе эта работа может способствовать развитию технологий, сочетающих оптику и электронику, в том числе сенсорики, визуализации и телекоммуникаций. Улучшая передачу сигналов внутри устройств и между ними, этот эффект может позволить сигналам передавать больше информации.

«Это электрическое устройство, которое мы изготовили на заводе по нанопроизводству имени Лурье, может стать инструментом для измерения различных характеристик света, — говорит Имин Гонг, которая помогала руководить проектом, будучи докторантом физического факультета Мичиганского университета. — Но в основе этого лежит фундаментальный физический принцип — интерференция различных процессов оптического поглощения».

Два цвета управляют электронами без напряжения

При поддержке Национального научного фонда США исследователи использовали два цвета света, чтобы создать упорядоченный поток электронов через полупроводник. Они также могли менять направление этого тока, изменяя поляризацию двух оптических полей, то есть направление, в котором колеблются световые волны.

«Обычно все работает не так. Когда вы думаете о движении электронов в материале, они движутся потому, что вы создаете электрическое поле, и они действительно отскакивают друг от друга и дрейфуют по материалу. Здесь с помощью света можно фактически «выстрелить» электронами в определенном направлении, не применяя электрическое поле», — сказал физик из Мичиганского университета Стивен Кандифф, старший автор нового отчета команды, опубликованного в журнале Physical Review Letters.

Предыдущие эксперименты уже показали, что свет может генерировать электронный ток без приложенного электрического поля. Новое устройство идет дальше, концентрируя электроны в узкий поток и направляя их по заданному пути.

«Свет не просто включает ток, но и направляет его», — говорит Кандифф.

Кандифф сравнивает этот эффект с маяком, который поворачивает лампу, чтобы луч охватывал весь горизонт. В данном случае пучок состоит из электронов, и его направление меняется при повороте поляризации двух фазово-когерентных оптических полей.

Квантовая интерференция направляет ток

Эффект зависит от квантовой интерференции, которая возникает, когда два цвета света создают отдельные пути поглощения, ведущие к одному и тому же конечному состоянию. Полупроводник поглощает энергию света дискретными порциями, называемыми фотонами, которые приводят в движение его носители электрического заряда.

В установке U-M материал поглощает поступающий свет обоими путями одновременно. Кандифф описал эти пути как накладывающиеся друг на друга волны. Для электронов, движущихся в одном направлении, волны выстраиваются в линию и усиливают друг друга. Для электронов, движущихся в других направлениях, они гасят друг друга.

Предсказанный эффект становится устройством

Дж. Э. Сайп из Университета Торонто, участвовавший в более раннем проекте, предсказал возможность создания такого «электронного маяка». Работая в Центре нанопроизводства имени Лурье, Гонг смог воплотить это предсказание в работающем устройстве.

«Центр нанопроизводства имени Лурье — потрясающее место», — сказал Гонг, добавив, что процесс соединения материалов устройства таким образом, чтобы не возникало посторонних электрических полей, был очень кропотливым.

«Это была самая сложная задача, потому что стандартного способа ее решения не существует». Поэтому я вместе с сотрудниками LNF экспериментировала с разными рецептами и температурами, чтобы разработать производственный процесс».