Fizičari su razvili uređaj koji funkcionira kao svojevrsni elektronički svjetionik, emitirajući snop elektrona kojim se može upravljati pomoću svjetlosti, i to bez potrebe za vanjskim izvorom električne energije. Ovo otkriće moglo bi unaprijediti kvantne tehnologije, od računalstva do telekomunikacija, a temelji se na usmjerenom protoku elektrona koji pokreću gotovo sve aspekte modernog života. Istraživanje je proveo tim sa Sveučilišta u Michiganu, piše ScienceAlert.
Elektroni se pokoravaju pravilima kvantnog svijeta, što znači da pokazuju ponašanja koja nemaju ekvivalent u makroskopskom svijetu, poput superpozicije, koja im omogućuje da istovremeno postoje u više stanja. Nova studija otkriva nove zakonitosti i nudi analogiju iz stvarnog svijeta koja pomaže u razumijevanju tih nevidljivih procesa.
Upravljanje strujom pomoću svjetlosti
Uređaj koristi dvije laserske zrake različitih boja iz nevidljivog infracrvenog spektra za kontrolu protoka elektrona kroz poluvodič. Time se postiže efekt koji se razlikuje od standardnog načina generiranja struje.
"Ovo nije uobičajen način rada. Kada razmišljate o kretanju elektrona kroz materijal, oni se kreću jer ste primijenili električno polje, pa se odbijaju i polako putuju kroz materijale", objašnjava Steven Cundiff, eksperimentalni fizičar sa Sveučilišta u Michiganu i glavni autor studije. "Ovdje, uz pomoć svjetlosti, možete zapravo 'ispaliti' elektrone u točno određenom smjeru bez primjene električnog polja."
Tim, koji je podržala američka Nacionalna zaklada za znanost (NSF), navodi da je struja generirana ovim procesom "balistička". To znači da elektroni putuju putanjom koju određuje njihova početna brzina, za razliku od uobičajenih difuznih struja, gdje se elektroni neprestano sudaraju s nečistoćama i defektima u materijalu.
"Vjerojatno je najviše iznenađujuće to što se struje proizvedene ovim procesom uopće mogu detektirati uređajem koji smo napravili", rekao je Cundiff.
Izazovi u proizvodnji
Istraživači su uređaj izradili u laboratoriju Lurie Nanofabrication Facility (LNF) na Sveučilištu u Michiganu. Jedan od glavnih izazova bio je osmisliti eksperimentalni postav koji ne uvodi vanjska električna polja, jer bi ona mogla utjecati na rezultate.
"To mi je bio najveći izazov jer ne postoji standardni način da se to izvede", kaže Yiming Gong, prvi autor studije. "Zato sam surađivao s osobljem LNF-a kako bismo isprobali različite postupke i temperature dok nismo osmislili proces proizvodnje."
Potvrda teorije i kvantna pozadina
Prethodni radovi već su pokazali da svjetlost sama može osigurati energiju za pokretanje elektrona. Cundiff navodi da je projekt proizašao iz njegovog ranijeg rada na razvoju fazno osjetljivog detektora za stabilizaciju takozvanih frekvencijskih češljeva, ključnih alata za preciznu kontrolu elektromagnetskih valova.
Novo istraživanje nadovezuje se na te spoznaje i pokazuje da se svjetlost može koristiti i za usmjeravanje elektrona u obliku snopa. "Svjetlost više ne služi samo za uključivanje struje; ona je sada i usmjerava", objašnjava Cundiff. Snop se ne usmjerava fizičkim okretanjem, već rotiranjem polarizacije, odnosno smjera titranja svjetlosti.
Ovaj rad također je i potvrda predviđanja teorijskog fizičara Johna Sipea sa Sveučilišta u Torontu. On i njegovi kolege teoretizirali su da će ovakav eksperimentalni postav proizvesti snop usmjerenih elektrona bez primjene napona. Mehanizam koji stoji iza toga poznat je kao kvantna interferencija, temeljni kvantni proces u kojem se valne funkcije čestica mogu konstruktivno ili destruktivno uskladiti.
Potencijal za buduće tehnologije
U budućnosti bi ovo istraživanje moglo pomoći u razjašnjavanju kvantne geometrije materijala, koja određuje njihovo temeljno ponašanje. To bi moglo unaprijediti kvantno senziranje, tehnike snimanja i telekomunikacije, optimizirajući prijenos signala i količinu podataka.
Također, primjena kvantne interferencije mogla bi značajno ubrzati računalne procese tako što povećava vjerojatnost dobivanja željenih rješenja, a potiskuje ona neželjena. Ovaj napredak mogao bi pomoći u daljnjem istraživanju subatomskih čestica i polja koja upravljaju opipljivim svijetom.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Physical Review Letters.