Ljus kan generera en elektrisk ström i halvledarmaterial. Så här genererar solceller el från solljus och hur smarta telefonkameror kan ta fotografier. För att samla den genererade elektriska strömmen, kallas för fotoström, en elektrisk spänning behövs för att tvinga strömmen att flöda i endast en riktning.

I ny forskning, forskare vid University of Minnesota använde en första i sitt slag för att demonstrera ett sätt att styra fotströmmens riktning utan att sätta in en elektrisk spänning. Den nya studien publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Studien avslöjar att kontrollen påverkas av riktningen i vilken ljuspartiklarna, kallas fotoner, snurrar - medurs eller moturs. Fotoströmmen som genereras av det snurrande ljuset är också spinnpolariserad, vilket betyder att det finns fler elektroner med snurr i en riktning än i den andra. Denna nya enhet har en betydande potential för användning i nästa generation av mikroelektronik med elektronspinn som den grundläggande informationsenheten. Det kan också användas för energieffektiv optisk kommunikation i datacenter.

"Den observerade effekten är mycket stark och robust i våra enheter, även vid rumstemperatur och utomhus "sa Mo Li, en docent på el- och datateknik vid University of Minnesota och en huvudförfattare till studien. "Därför, den enhet vi visar har stor potential att implementeras i nästa generations beräknings- och kommunikationssystem. "

Optisk snurrning och topologiska isolatorer

Ljus är en form av elektromagnetisk våg. Hur det elektriska fältet svänger, antingen i en rak linje eller roterande, kallas polarisering. (Dina polariserade solglasögon blockerar en del av det obehagliga reflekterade ljuset som polariseras längs en rak linje.) I cirkulärt polariserat ljus, det elektriska fältet kan snurra med- eller moturs. I ett sådant tillstånd, ljuspartikeln (fotonen) sägs ha positiv eller negativ optisk spinnvinkelmoment. Detta optiska snurr är analogt med elektronernas snurr, och ger material magnetiska egenskaper.

Nyligen, en ny kategori av material, kallas topologiska isolatorer (TI), upptäcktes ha en spännande egenskap som inte finns i vanliga halvledarmaterial. Tänk dig en väg där röda bilar bara kör på vänster körfält, och blå bilar bara i höger körfält. Liknande, på ytan av en TI, elektronerna med sina snurr som pekar åt ett håll flyter alltid i en riktning. Denna effekt kallas spinnmomentlåsning-elektronernas snurr är låst i den riktning de färdas.

Intressant, lyser ett cirkulärt polariserat ljus på en TI kan frigöra elektroner från dess insida för att flöda på dess yta på ett selektivt sätt, till exempel, medsols för spin-up elektroner och moturs för spin-down elektroner. På grund av denna effekt, den genererade fotoströmmen på ytan av TI -materialet flödar spontant i en riktning, kräver ingen elektrisk spänning. Denna speciella funktion är viktig för att styra riktningen för en fotoström. Eftersom de flesta elektroner i denna ström har sina snurr pekande i en enda riktning, denna ström är spinnpolariserad.

Styr riktning och polarisering

För att tillverka sin unika enhet som kan ändra riktningen för en fotoström utan användning av elektrisk spänning, universitetets forskargrupp integrerade en tunn film av ett TI -material, vismutselenid, på en optisk vågledare gjord av kisel. Ljus flödar genom vågledaren (en liten tråd som mäter 1,5 mikron bred och 0,22 mikron hög) precis som elektrisk ström flödar genom en koppartråd. Eftersom ljuset pressas hårt i vågledaren, den tenderar att vara cirkulärt polariserad längs en riktning normal till den riktning i vilken den flödar. Detta liknar elektronernas spin-momentum-låsningseffekt i ett TI-material.

Forskarna antog att integrering av ett TI -material med den optiska vågledaren kommer att orsaka stark koppling mellan ljuset i vågledaren och elektronerna i TI -materialet, båda har samma, spännande spin-momentum låsningseffekt. Kopplingen kommer att resultera i en unik optoelektronisk effekt - ljus som strömmar längs en riktning i vågledaren genererar en elektrisk ström som flyter i samma riktning med elektronspinn polariserat.

Att vända ljusriktningen vänder både riktningen för strömmen och dess spinnpolarisering. Och det är precis vad teamet observerade i sina enheter. Andra möjliga orsaker till den observerade effekten, såsom värme som genereras av ljuset, har uteslutits genom noggranna experiment.

Framtida prospekt

Resultatet av forskningen är spännande för forskarna. Det har en enorm potential för möjliga tillämpningar.

"Våra enheter genererar en spinnpolariserad ström som flyter på ytan av en topologisk isolator. De kan användas som en strömkälla för spintroniska enheter, som använder elektronspinn för att överföra och behandla information med mycket låga energikostnader, "sa Li He, en fysik doktorand vid University of Minnesota och en författare till uppsatsen.

"Vår forskning överbryggar två viktiga områden inom nanoteknik:spintronik och nanofotonik. Den är helt integrerad med en fotonisk krets av kisel som kan tillverkas i stor skala och har redan använts i stor utsträckning inom optisk kommunikation i datacenter, " Han lade till.