Дослідники з Університету Мічигану продемонстрували незвичний квантовий ефект, який раніше існував лише в теорії. Їм вдалося створити напівпровідниковий пристрій, у якому лазерне світло не просто запускає рух електронів, а ще й спрямовує їх у потрібний бік — без жодного електричного поля та без традиційного джерела живлення.
На перший погляд це звучить як наукова фантастика, але експеримент уже підтвердив: світло може виконувати роль своєрідного «керма» для електронів. У майбутньому така технологія може стати основою для нових оптичних сенсорів, систем зв’язку, методів візуалізації та навіть способів зберігання інформації.
Два кольори світла замість батареї
Зазвичай електрони в матеріалах рухаються під дією електричного поля. Саме так працюють більшість електронних пристроїв: поле змушує заряджені частинки дрейфувати через матеріал.
У новому експерименті все відбувалося інакше. Вчені використали два лазерні промені різних кольорів, які одночасно взаємодіяли з напівпровідником. Ці промені були фазово узгоджені, тобто їхні світлові хвилі мали точно контрольоване співвідношення. Коли дослідники змінювали поляризацію світла — напрямок коливань хвиль — вони могли змінювати і напрямок потоку електронів. Старший автор роботи, фізик Стівен Кандіфф, пояснює, що це зовсім не схоже на звичну електроніку.
«Світло більше не просто вмикає струм — воно ще й прицільно його спрямовує», — зазначив він.
Як працює «електронний маяк»
Кандіфф порівнює ефект із маяком, який обертається і посилає вузький промінь світла в різні боки. У цьому випадку промінь складається не зі світла, а з електронів.
Ключ до роботи пристрою — явище квантової інтерференції.
У напівпровіднику два кольори світла створюють різні шляхи поглинання енергії, але обидва приводять систему до одного й того самого кінцевого стану. Фотони передають енергію матеріалу, а це активує носії заряду — електрони.
Далі відбувається найцікавіше: для електронів, що рухаються в одному напрямку, квантові хвилі підсилюють одна одну, а для електронів, що рухаються в інших напрямках, вони взаємно гасяться. У результаті замість хаотичного руху виникає вузький спрямований струмінь електронів.
Теорія, яка стала реальним пристроєм
Ідею такого «електронного маяка» раніше теоретично передбачив фізик Дж. Е. Сайп з Університету Торонто. Однак перетворити її на реальний пристрій вдалося лише тепер. Один із керівників проєкту, аспірант Імін Гонг, виготовив структуру в Центрі нанофабрикації Лурі. Найскладнішим завданням було створити матеріал так, щоб у ньому не виникали сторонні електричні поля.
«Це була найбільша загадка для мене, тому що стандартного способу зробити таку структуру не існувало», — розповів Гонг.
Команді довелося експериментувати з різними технологічними процесами, температурами та методами з’єднання матеріалів, поки вони не отримали пристрій, у якому рух електронів справді визначався лише світлом.
Чому це важливо
Поки що пристрій створений насамперед для дослідження фундаментальної фізики. Але потенційні застосування виглядають дуже перспективно.
Серед можливих напрямків:
- надчутливі оптичні сенсори;
- швидші системи передачі даних;
- нові методи формування зображень;
- енергоефективні електронно-оптичні компоненти;
- пристрої для кодування більшої кількості інформації.
Якщо навчитися керувати електронами за допомогою світла з високою точністю, можна буде створювати системи, де оптика та електроніка працюють як єдине ціле.
Крок до світлової електроніки майбутнього
Це відкриття не означає, що звичайні мікросхеми скоро зникнуть. Але воно показує, що межа між фотонікою та електронікою стає дедалі тоншою. Вчені фактично продемонстрували новий спосіб контролю електронів — не дротами та напругою, а квантово організованим світлом.
Сам Імін Гонг після завершення роботи захистив докторську дисертацію і перейшов у сферу машинного навчання. За його словами, навички аналізу складних систем, які він здобув під час фізичних досліджень, виявилися корисними й у роботі з алгоритмами штучного інтелекту.
Дослідження опубліковане в журналі Physical Review Letters і вже привернуло увагу фізиків, які працюють на стику квантової механіки, нанотехнологій та оптичної електроніки.
Можливо, у майбутньому саме такі «електронні маяки» допоможуть створити покоління пристроїв, де інформація передаватиметься не лише електричними сигналами, а й керованими потоками електронів, сформованими світлом.
