Licht kan een elektrische stroom opwekken in halfgeleidermaterialen. Zo wekken zonnecellen elektriciteit op uit zonlicht en kunnen smartphonecamera's foto's maken. Om de opgewekte elektrische stroom op te vangen, fotostroom genoemd, er is een elektrische spanning nodig om de stroom in slechts één richting te laten vloeien.

Bij nieuw onderzoek Wetenschappers van de Universiteit van Minnesota gebruikten een uniek apparaat om een ​​manier te demonstreren om de richting van de fotostroom te regelen zonder een elektrische spanning in te zetten. De nieuwe studie is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Uit het onderzoek blijkt dat de controle plaatsvindt door de richting waarin de lichtdeeltjes, fotonen genoemd, draaien - met de klok mee of tegen de klok in. De fotostroom die wordt gegenereerd door het ronddraaiende licht is ook spin-gepolariseerd, wat betekent dat er meer elektronen met spin in de ene richting zijn dan in de andere. Dit nieuwe apparaat heeft een aanzienlijk potentieel voor gebruik in de volgende generatie micro-elektronica met behulp van elektronenspin als fundamentele informatie-eenheid. Het kan ook worden gebruikt voor energiezuinige optische communicatie in datacenters.

"Het waargenomen effect is erg sterk en robuust in onze apparaten, zelfs bij kamertemperatuur en in open lucht, " zei Mo Li, een universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek aan de Universiteit van Minnesota en een hoofdauteur van de studie. "Daarom, het apparaat dat we demonstreren heeft een groot potentieel om te worden geïmplementeerd in computer- en communicatiesystemen van de volgende generatie."

Optische spin en topologische isolatoren

Licht is een vorm van elektromagnetische golven. De manier waarop het elektrische veld oscilleert, hetzij in een rechte lijn of roterend, wordt polarisatie genoemd. (Uw gepolariseerde zonnebril blokkeert een deel van het onaangename gereflecteerde licht dat langs een rechte lijn gepolariseerd is.) In circulair gepolariseerd licht, het elektrische veld kan met de klok mee of tegen de klok in draaien. In een dergelijke staat, van het lichtdeeltje (foton) wordt gezegd dat het een positief of negatief optisch spinimpulsmoment heeft. Deze optische spin is analoog aan de spin van elektronen, en verleent magnetische eigenschappen aan materialen.

Onlangs, een nieuwe categorie materialen, zogenaamde topologische isolatoren (TI), werd ontdekt dat het een intrigerende eigenschap heeft die niet wordt gevonden in gewone halfgeleidermaterialen. Stel je een weg voor waarop rode auto's alleen op de linkerbaan rijden, en blauwe auto's alleen op de rechterbaan. evenzo, op het oppervlak van een TI, de elektronen met hun spins in één richting stromen altijd in één richting. Dit effect wordt spin-impulsvergrendeling genoemd - de spin van de elektronen wordt vergrendeld in de richting waarin ze reizen.

interessant, door een circulair gepolariseerd licht op een TI te laten schijnen, kunnen elektronen van binnenuit op een selectieve manier op het oppervlak stromen, bijvoorbeeld, met de klok mee licht voor spin-up elektronen en tegen de klok in voor spin-down elektronen. Door dit effekt, de gegenereerde fotostroom op het oppervlak van het TI-materiaal stroomt spontaan in één richting, waarvoor geen elektrische spanning nodig is. Dit specifieke kenmerk is belangrijk voor het regelen van de richting van een fotostroom. Omdat de meeste elektronen in deze stroom hun spins in één richting hebben, deze stroom is spin-gepolariseerd.

Richting en polarisatie regelen

Om hun unieke apparaat te fabriceren dat de richting van een fotostroom kan veranderen zonder het gebruik van een elektrische spanning, het onderzoeksteam van de universiteit integreerde een dunne film van een TI-materiaal, bismutselenide, op een optische golfgeleider van silicium. Licht stroomt door de golfgeleider (een minuscuul draadje van 1,5 micron breed en 0,22 micron hoog) net zoals elektrische stroom door een koperdraad vloeit. Omdat licht strak in de golfgeleider wordt geperst, het heeft de neiging circulair gepolariseerd te zijn langs een richting loodrecht op de richting waarin het stroomt. Dit is verwant aan het spin-momentum vergrendelingseffect van de elektronen in een TI-materiaal.

De wetenschappers veronderstelden dat het integreren van een TI-materiaal met de optische golfgeleider een sterke koppeling tussen het licht in de golfgeleider en de elektronen in het TI-materiaal zal veroorzaken, beide hebben hetzelfde intrigerend spin-momentum vergrendelingseffect. De koppeling zal resulteren in een uniek opto-elektronisch effect:licht dat langs één richting in de golfgeleider stroomt, genereert een elektrische stroom die in dezelfde richting stroomt met gepolariseerde elektronenspin.

Het omkeren van de lichtrichting keert zowel de richting van de stroom als de spinpolarisatie ervan om. En dit is precies wat het team op hun apparaten heeft waargenomen. Andere mogelijke oorzaken van het waargenomen effect, zoals warmte gegenereerd door het licht, zijn uitgesloten door zorgvuldige experimenten.

Toekomstperspectieven

De uitkomst van het onderzoek is spannend voor de onderzoekers. Het heeft een enorm potentieel voor mogelijke toepassingen.

"Onze apparaten genereren een spin-gepolariseerde stroom die vloeit op het oppervlak van een topologische isolator. Ze kunnen worden gebruikt als stroombron voor spintronische apparaten, die elektronenspin gebruiken om informatie te verzenden en te verwerken met zeer lage energiekosten, " zei Li He, een afgestudeerde natuurkundestudent van de Universiteit van Minnesota en een auteur van het artikel.

"Ons onderzoek overbrugt twee belangrijke gebieden van nanotechnologie:spintronica en nanofotonica. Het is volledig geïntegreerd met een siliciumfotonisch circuit dat op grote schaal kan worden vervaardigd en dat al op grote schaal wordt gebruikt in optische communicatie in datacenters, " Hij voegde toe.