"Elektronski svetionik" bacio novo svjetlo na fiziku

Istraživači sa Univerziteta Mičigen u Sjedinjenim Američkim Državama napravili su uređaj koji im omogućava da kontrolišu protok elektrona kroz poluprovodnik koristeći isključivo lasersku svjetlost — bez potrebe za izvorom električne energije.

Taj uređaj napravljen je radi istraživanja fundamentalne fizike i ostvarivanja ponašanja koje ranije nije bilo uočeno, ali bi takođe mogao otvoriti mogućnosti za nove primjene u oblastima koje povezuju optiku i elektroniku, uključujući senzore, snimanje i telekomunikacije.

Taj fenomen mogao bi unaprijediti način na koji se signali šalju kroz uređaje i između njih, kao i stvoriti nove mogućnosti za čuvanje veće količine informacija u tim signalima, saopštio je univerzitet.

„Ovaj električni uređaj, koji smo proizveli u postrojenju Lurie Nanofabrication Facility, ima potencijal da se razvije u nešto što mjeri različita svojstva svjetlosti“, rekao je Jiming Gong, koji je kao doktorand na Odsjeku za fiziku Univerziteta Mičigen učestvovao u vođenju projekta. „Međutim, sve ovo potiče sa veoma fundamentalnog nivoa fizike, odnosno iz interferencije između različitih procesa optičke apsorpcije.“

Uz saveznu podršku Nacionalne fondacije za nauku SAD, istraživači su pokazali da mogu izazvati usmjereni protok elektrona kroz poluprovodnik koristeći dvije različite boje svjetlosti. Rotiranjem polarizacije dva optička polja — odnosno pravca u kojem svjetlosni talasi osciluju — istraživači su mogli da kontrolišu i smjer električne struje.

„Ovo nije način na koji stvari inače funkcionišu. Kada razmišljate o elektronima koji se kreću kroz neki materijal, oni se kreću zato što ste primijenili električno polje, pri čemu se odbijaju i postepeno prolaze kroz materijal. Ovdje, međutim, pomoću svjetlosti možete praktično usmjeriti elektrone u određenom pravcu bez primjene električnog polja“, rekao je fizičar Univerziteta Mičigen Stiven Kandif, glavni autor novog izvještaja tima objavljenog u časopisu „Physical Review Letters“.

Iako su ranija istraživanja pokazala da je moguće pokrenuti elektrone isključivo pomoću svjetlosti, ovo istraživanje ide korak dalje i pokazuje da svjetlost može navesti elektrone da se kreću u uskom snopu, u tačno određenom pravcu.

„Svjetlost više ne uključuje samo električnu struju — ona je i usmjerava“, rekao je Kandif.

Kandif taj proces poredi sa svetionikom koji pomjera snop svjetlosti rotiranjem svoje lampe. U ovom slučaju, snop je sačinjen od elektrona, a može se rotirati promjenom polarizacije dva fazno koherentna optička polja.

Taj fenomen zasniva se na kvantnoj interferenciji, koja nastaje kada dvije boje svjetlosti pokrenu različite puteve apsorpcije koji vode do istog konačnog stanja. Svjetlost prenosi energiju na poluprovodnički materijal u zasebnim, odnosno kvantizovanim paketima koji se nazivaju fotoni, a koji pokreću nosioce električnog naboja u materijalu.

U eksperimentalnoj postavci Univerziteta Mičigen, dolazna svjetlost istovremeno se apsorbuje kroz dva različita puta, koji se mogu zamisliti kao talasi koji se preklapaju, objasnio je Kandif. Ti talasi se poklapaju i međusobno pojačavaju kod elektrona koji se kreću u određenom pravcu, dok se međusobno poništavaju kod elektrona koji se kreću u drugim pravcima.

Saradnik na jednom ranijem projektu, Dž. E. Sajp sa Univerziteta u Torontu, predvidio je da bi bilo moguće napraviti takav „elektronski svetionik“. Sada je Gong, radeći sa postrojenjem Lurie Nanofabrication Facility, uspio da realizuje takav uređaj.

„LNF je izuzetno postrojenje“, rekao je Gong, dodajući da je proces spajanja materijala uređaja na način koji ne bi proizveo neželjena električna polja bio veoma zahtjevan.

„To je za mene bila najveća zagonetka koju je trebalo riješiti, jer ne postoji standardan način da se to uradi. Zato sam sa osobljem LNF-a isprobavao različite postupke i temperature kako bismo razvili odgovarajući proizvodni proces.“

Kai Vang, nekadašnji postdoktorski istraživač u Kandifovom timu, a sada profesor elektronike i informacionih tehnologija na Univerzitetu Sun Jat-sen u Kini, pružio je Gongu dodatne smjernice tokom ovog projekta. Gong je doktorirao na Univerzitetu Mičigen i sada radi u Čikagu kao stručnjak za mašinsko učenje, gdje kvantitativne i analitičke vještine stečene tokom istraživanja u oblasti fizike primjenjuje na mašinsko učenje.

( B.H. )