La luce può generare una corrente elettrica nei materiali semiconduttori. Ecco come le celle solari generano elettricità dalla luce solare e come le fotocamere degli smartphone possono scattare fotografie. Per raccogliere la corrente elettrica generata, chiamato fotocorrente, è necessaria una tensione elettrica per costringere la corrente a fluire in una sola direzione.

In una nuova ricerca, gli scienziati dell'Università del Minnesota hanno utilizzato un dispositivo unico nel suo genere per dimostrare un modo per controllare la direzione della fotocorrente senza dispiegare una tensione elettrica. Il nuovo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

Lo studio rivela che il controllo è effettuato dalla direzione in cui le particelle di luce, chiamati fotoni, stanno girando, in senso orario o antiorario. Anche la fotocorrente generata dalla luce rotante è polarizzata in spin, il che significa che ci sono più elettroni con spin in una direzione che nell'altra. Questo nuovo dispositivo ha un potenziale significativo per l'uso nella prossima generazione di microelettronica utilizzando lo spin degli elettroni come unità fondamentale di informazione. Potrebbe anche essere utilizzato per comunicazioni ottiche efficienti dal punto di vista energetico nei data center.

"L'effetto osservato è molto forte e robusto nei nostri dispositivi, anche a temperatura ambiente e all'aria aperta, " disse Mo Li, un professore associato di ingegneria elettrica e informatica dell'Università del Minnesota e autore principale dello studio. "Perciò, il dispositivo che dimostriamo ha un grande potenziale per essere implementato nei sistemi di calcolo e comunicazione di prossima generazione."

Spin ottici e isolatori topologici

La luce è una forma di onda elettromagnetica. Il modo in cui il campo elettrico oscilla, sia in linea retta che rotante, si chiama polarizzazione. (I tuoi occhiali da sole polarizzati bloccano parte della spiacevole luce riflessa che è polarizzata lungo una linea retta.) Nella luce polarizzata circolarmente, il campo elettrico può ruotare in senso orario o antiorario. In tale stato, si dice che la particella di luce (fotone) ha un momento angolare di spin ottico positivo o negativo. Questo spin ottico è analogo allo spin degli elettroni, e conferisce proprietà magnetiche ai materiali.

Recentemente, una nuova categoria di materiali, detti isolanti topologici (TI), è stato scoperto avere una proprietà intrigante che non si trova nei comuni materiali semiconduttori. Immagina una strada in cui le auto rosse guidano solo sulla corsia di sinistra, e le auto blu solo nella corsia di destra. Allo stesso modo, sulla superficie di un TI, gli elettroni con i loro spin rivolti in una direzione fluiscono sempre in una direzione. Questo effetto è chiamato blocco spin-momentum:lo spin degli elettroni è bloccato nella direzione in cui viaggiano.

interessante, puntare una luce polarizzata circolarmente su un TI può liberare gli elettroni dal suo interno per fluire sulla sua superficie in modo selettivo, Per esempio, luce in senso orario per gli elettroni con spin-up e in senso antiorario per gli elettroni con spin-down. A causa di questo effetto, la fotocorrente generata sulla superficie del materiale TI scorre spontaneamente in una direzione, non richiedono tensione elettrica. Questa particolare caratteristica è significativa per controllare la direzione di una fotocorrente. Poiché la maggior parte degli elettroni in questa corrente ha i suoi spin rivolti in un'unica direzione, questa corrente è polarizzata in spin.

Controllo della direzione e della polarizzazione

Per fabbricare il loro dispositivo unico in grado di cambiare la direzione di una fotocorrente senza l'uso di una tensione elettrica, il team di ricerca dell'Università ha integrato un film sottile di un materiale TI, seleniuro di bismuto, su una guida d'onda ottica in silicio. La luce scorre attraverso la guida d'onda (un minuscolo filo che misura 1,5 micron di larghezza e 0,22 micron di altezza) proprio come la corrente elettrica scorre attraverso un filo di rame. Poiché la luce è strettamente schiacciata nella guida d'onda, tende ad essere polarizzato circolarmente lungo una direzione normale alla direzione in cui scorre. Questo è simile all'effetto di blocco dello spin-momento degli elettroni in un materiale TI.

Gli scienziati hanno supposto che l'integrazione di un materiale TI con la guida d'onda ottica induca un forte accoppiamento tra la luce nella guida d'onda e gli elettroni nel materiale TI, entrambi hanno lo stesso, intrigante effetto di blocco spin-momentum. L'accoppiamento risulterà in un effetto optoelettronico unico:la luce che scorre lungo una direzione nella guida d'onda genera una corrente elettrica che scorre nella stessa direzione con lo spin dell'elettrone polarizzato.

L'inversione della direzione della luce inverte sia la direzione della corrente che la sua polarizzazione di spin. E questo è esattamente ciò che il team ha osservato nei propri dispositivi. Altre possibili cause dell'effetto osservato, come il calore generato dalla luce, sono state escluse attraverso accurati esperimenti.

Prospettive future

Il risultato della ricerca è entusiasmante per i ricercatori. Ha un enorme potenziale per possibili applicazioni.

"I nostri dispositivi generano una corrente polarizzata con spin che scorre sulla superficie di un isolante topologico. Possono essere utilizzati come fonte di corrente per dispositivi spintronici, che utilizzano lo spin degli elettroni per trasmettere ed elaborare informazioni con un costo energetico molto basso, " disse Li He, uno studente laureato in fisica dell'Università del Minnesota e autore dell'articolo.

"La nostra ricerca collega due importanti campi della nanotecnologia:la spintronica e la nanofotonica. È completamente integrata con un circuito fotonico in silicio che può essere prodotto su larga scala ed è già stato ampiamente utilizzato nella comunicazione ottica nei data center, " Ha aggiunto.