Forskere styrer strømmen af ​​elektrisk strøm med roterende lys

Lys kan generere en elektrisk strøm i halvledermaterialer. Sådan genererer solceller elektricitet fra sollys, og hvordan smarttelefonkameraer kan tage fotografier. For at opsamle den genererede elektriske strøm, kaldet fotostrøm, en elektrisk spænding er nødvendig for at tvinge strømmen til at strømme i kun en retning.

I ny forskning, forskere ved University of Minnesota brugte en første af sin slags anordning til at demonstrere en måde at kontrollere retningen af ​​fotostrømmen uden at udsætte en elektrisk spænding. Den nye undersøgelse blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Undersøgelsen afslører, at kontrol påvirkes af den retning, hvori lyspartiklerne, kaldet fotoner, drejer - med eller mod uret. Fotostrømmen genereret af det roterende lys er også spin-polariseret, hvilket betyder, at der er flere elektroner med spin i den ene retning end i den anden. Denne nye enhed rummer et betydeligt potentiale for brug i den næste generation af mikroelektronik, der bruger elektronspin som den grundlæggende informationsenhed. Det kan også bruges til energieffektiv optisk kommunikation i datacentre.

"Den observerede effekt er meget stærk og robust i vores enheder, selv ved stuetemperatur og i det fri, "sagde Mo Li, en lektor ved el- og computerteknik fra University of Minnesota og en hovedforfatter af undersøgelsen. "Derfor, den enhed, vi demonstrerer, har et stort potentiale for at blive implementeret i næste generation af beregnings- og kommunikationssystemer."

Optisk spin og topologiske isolatorer

Lys er en form for elektromagnetisk bølge. Måden det elektriske felt svinger på, enten i en lige linje eller roterende, kaldes polarisering. (Dine polariserede solbriller blokerer en del af det ubehagelige reflekterede lys, der er polariseret langs en lige linje.) I cirkulært polariseret lys, det elektriske felt kan dreje i urets eller mod urets retning. I sådan en tilstand, lyspartiklen (foton) siges at have positiv eller negativ optisk spin -vinkelmoment. Dette optiske spin er analogt med elektronernes spin, og giver materialer magnetiske egenskaber.

For nylig, en ny kategori af materialer, kaldet topologiske isolatorer (TI), blev opdaget at have en spændende ejendom, der ikke findes i almindelige halvledermaterialer. Forestil dig en vej, hvor røde biler kun kører i venstre vognbane, og blå biler kun i højre vognbane. Tilsvarende på overfladen af ​​en TI, elektronerne med deres spins, der peger en vej, flyder altid i en retning. Denne effekt kaldes spin-momentum locking-elektronernes spin er låst i den retning, de bevæger sig.

Interessant nok, skinner et cirkulært polariseret lys på en TI kan frigive elektroner indefra til at strømme på overfladen på en selektiv måde, for eksempel, med uret for spin-up elektroner og mod uret for spin-down elektroner. På grund af denne effekt, den genererede fotostrøm på overfladen af ​​TI -materialet flyder spontant i en retning, kræver ingen elektrisk spænding. Denne særlige funktion er vigtig for at styre retningen af ​​en fotostrøm. Fordi de fleste af elektronerne i denne strøm har deres spin pegende i en enkelt retning, denne strøm er spin-polariseret.

Kontrol af retning og polarisering

For at fremstille deres unikke enhed, der kan ændre retningen på en fotostrøm uden brug af elektrisk spænding, universitetets forskergruppe integrerede en tynd film af et TI -materiale, vismut selenid, på en optisk bølgeleder lavet af silicium. Lys strømmer gennem bølgelederen (en lille ledning, der måler 1,5 mikron bred og 0,22 mikron høj) ligesom elektrisk strøm strømmer gennem en kobbertråd. Fordi lyset klemmes tæt i bølgelederen, den har en tendens til at blive cirkulært polariseret langs en retning, der er normal til den retning, i hvilken den flyder. Dette er beslægtet med spin-momentum-låseeffekten af ​​elektronerne i et TI-materiale.

Forskerne antog, at integration af et TI-materiale med den optiske bølgeleder vil inducere stærk kobling mellem lyset i bølgelederen og elektronerne i TI-materialet, begge har det samme, spændende spin-momentum låseeffekt. Koblingen vil resultere i en unik optoelektronisk effekt - lys, der strømmer langs en retning i bølgelederen, genererer en elektrisk strøm, der strømmer i samme retning med elektronspin polariseret.

Når lysretningen vendes, vendes både strømmen og dens polarisering. Og det er præcis, hvad teamet observerede i deres enheder. Andre mulige årsager til den observerede effekt, såsom varme genereret af lyset, er blevet udelukket gennem omhyggelige forsøg.

Fremtidsudsigter

Resultatet af forskningen er spændende for forskerne. Det rummer et enormt potentiale for mulige anvendelser.

"Vores enheder genererer en spin-polariseret strøm, der flyder på overfladen af ​​en topologisk isolator. De kan bruges som en strømkilde til spintronic-enheder, som bruger elektronspin til at transmittere og behandle information med meget lave energiomkostninger, "sagde Li He, en fysik kandidatstuderende ved University of Minnesota og forfatter til papiret.

"Vores forskning bygger bro mellem to vigtige områder inden for nanoteknologi:spintronik og nanofotonik. Det er fuldt integreret med et fotonisk siliciumkredsløb, der kan fremstilles i stor skala, og som allerede er blevet meget brugt i optisk kommunikation i datacentre, " Han tilføjede.