Ученые создали «электронный маяк», управляющий потоком электронов с помощью лазера

Исследователи из Мичиганского университета создали полупроводниковое устройство, которое использует лазерный свет для управления движением электронов без необходимости приложения электрического поля или внешнего источника питания.

Устройство, названное «электронным маяком», в первую очередь разрабатывалось для изучения фундаментальной физики и демонстрации поведения, которое ранее никогда не наблюдалось. Однако открытие может в будущем поддержать технологии, объединяющие оптику и электронику, включая передовые сенсоры, визуализацию и телекоммуникации. Оно также может привести к улучшению способов передачи сигналов между устройствами и кодированию большего объема информации.

«Это электрическое устройство, которое мы изготовили в Нанотехнологическом центре Lurie, потенциально может превратиться в инструмент для измерения различных аспектов света, — рассказал Имин Гун, руководивший проектом в качестве аспиранта физического факультета Мичиганского университета. — Но это происходит из фундаментального уровня физики, а именно из интерференции между различными процессами оптического поглощения».

Команда продемонстрировала, что два разных цвета света могут создавать упорядоченный поток электронов через полупроводник. Исследователи также могли менять направление этого тока, вращая поляризацию двух оптических полей.

«Это не то, как всё работает обычно. Когда вы думаете об электронах, движущихся через материал, они движутся, потому что вы приложили электрическое поле, и они фактически сталкиваются и дрейфуют. Здесь, используя свет, вы можете буквально "выстреливать" электроны в определенном направлении без приложения электрического поля», — объяснил физик Стивен Кандифф, старший автор отчета, опубликованного в журнале Physical Review Letters.

Кандифф сравнивает эффект с маяком, который вращает луч по горизонту. В этом эксперименте движущийся луч состоит из электронов. Ученые могут вращать этот электронный луч, регулируя поляризацию двух фазово-когерентных оптических полей.

Эффект основан на квантовой интерференции. Он возникает, когда два цвета света направляют полупроводник по разным путям поглощения, которые в конечном итоге приводят к одному и тому же конечному состоянию. Свет доставляет энергию материи дискретными пакетами — фотонами, которые мобилизуют носители электрического заряда в полупроводнике. Для электронов, движущихся в одном направлении, «волны» совпадают и усиливают друг друга. Для электронов, движущихся в других направлениях, они взаимно уничтожаются. Это избирательное усиление создает ток, сконцентрированный в определенном направлении.

Дж. Э. Сайп из Университета Торонто, сотрудничавший с исследователями в более раннем проекте, предсказал возможность создания такого «электронного маяка». Имин Гун воплотил эту теоретическую идею в работающее устройство. Предотвращение нежелательных электрических полей было особенно важным, поскольку исследователям нужно было подтвердить, что поток электронов исходит исключительно от света.

«Это была самая большая загадка, которую мне нужно было решить, потому что не существует стандартного способа сделать это. Я работал с сотрудниками LNF, чтобы поэкспериментировать с различными рецептами и температурами и разработать производственный процесс», — добавил Гун.