В новой разработке лазерные лучи впервые используются для направления движения электронов.
Обычно электроны в полупроводнике начинают двигаться под действием электрического поля: подали напряжение — заряд «потек» в нужном направлении. В новой разработке все работает иначе. Специалисты Мичиганского университета подсветили образец двумя лазерами разного цвета и добились того, что внутри материала возник упорядоченный ток. Причем направление этого тока можно «поворачивать», просто меняя поляризацию световых волн — то есть ориентируя, в каком направлении колеблется электрическое поле каждого луча.
«Мы привыкли, что электроны дрейфуют по материалу, потому что на них действует электрическое поле и они рассеиваются, — объясняет руководитель работы Стивен Кандифф. — Здесь же с помощью света можно буквально подтолкнуть электроны в заданном направлении без всякого поля».
Секрет эффекта заключается в явлении квантовой интерференции. Свет передает энергию в виде квантов — фотонов. В эксперименте полупроводник поглощал фотоны сразу по двум возможным направлениям: один цвет возбуждал одни переходы, другой — другие, но оба вели к одному и тому же конечному энергетическому состоянию электронов. Эти два процесса происходили одновременно, и их амплитуды интерферировали, как накладывающиеся друг на друга волны на воде.
Для электронов, идущих в одном направлении, «волны» складывались и усиливали друг друга, для других направлений — гасили. В результате вместо того, чтобы разойтись во все стороны, ток концентрировался в узком пучке, ориентированном в определенную сторону. Кандифф сравнивает это с маяком: только здесь вместо луча «света» — пучок электронов, а поворачивается он не за счет вращения лампы, а за счет поворота плоскости поляризации двух лазерных полей.
Когда два импульса лазерного излучения разного цвета (две волны в верхней части изображения) встречаются в новом устройстве, создается пучок электронов (маленьких золотистых частиц), который движется в контролируемом направлении. Изменяя цвета лазеров, можно заставлять электронный пучок перемещаться в разных направлениях, подобно лучу маяка.Теоретически возможность воздания такого «электронного маяка» еще раньше предсказывал физик Дж. Е. Сайп из Университета Торонто. Но реализовать ее на практике оказалось непросто. Аспиранту Йимину Гуну пришлось вместе с инженерами из Lurie Nanofabrication Facility подбирать технологию изготовления, чтобы собрать многослойную полупроводниковую структуру без каких‑либо дополнительных, «паразитических» электрических полей. Это условие было критически важно: ученым нужно было быть уверенными, что возникший ток действительно полностью «световой» природы, а не вызван действием скрытого напряжения в образце.
Само устройство пока что является исключительно демонстрационным. Но потенциальные применения уже ясно просматриваются. Управляемый светом ток открывает возможности для схем, где оптический сигнал напрямую, без промежуточной электроники управляет распределением зарядов. Такой подход может стать основой для создания новых типов фотодетекторов, которые не просто «включаются» от света, а кодируют в токе информацию о его поляризации или частоте, а также более эффективных интерфейсов между оптическими волокнами и микрочипами или инновационных методов шифровки данных в оптоэлектронных системах.
«Нашу разработку можно считать заготовкой для устройства, которое измеряет различные характеристики света, — отмечает Гун. — Но в основе всего лежит очень базовая квантовая физика — интерференция нескольких оптических процессов поглощения».
Ранее лазеры научились различать невидимые формы молекул.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
