Fizičari stvorili „elektronski svjetionik“ koji upravlja strujom pomoću svjetlosti

Ovo otkriće moglo bi da unaprijedi kvantne tehnologije, od računarstva do telekomunikacija, a zasniva se na usmjerenom protoku elektrona koji pokreću gotovo sve aspekte savremenog života. Istraživanje je sproveo tim sa Univerziteta u Mičigenu, piše Sajens alert (ScienceAlert).

Elektroni se pokoravaju pravilima kvantnog svijeta, što znači da pokazuju ponašanja koja nemaju ekvivalent u makroskopskom svijetu, poput superpozicije, koja im omogućava 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 dva laserska zraka različitih boja iz nevidljivog infracrvenog spektra za kontrolu protoka elektrona kroz poluprovodnik. Time se postiže efekat koji se razlikuje od standardnog načina stvaranja 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 Stiven Kandif, eksperimentalni fizičar sa Univerziteta u Mičigenu i glavni autor studije.

„Ovdje, uz pomoć svjetlosti, možete zapravo da ‘ispalite’ elektrone u tačno određenom smjeru bez primjene električnog polja.“

Tim, koji je podržala američka Nacionalna fondacija za nauku (NSF), navodi da je struja stvorena ovim procesom „balistička“.

To znači da elektroni putuju putanjom koju određuje njihova početna brzina, za razliku od uobičajenih difuznih struja, kod kojih se elektroni neprestano sudaraju sa nečistoćama i oštećenjima u materijalu.

„Vjerovatno najviše iznenađuje to što se struje proizvedene ovim procesom uopšte mogu otkriti uređajem koji smo napravili“, rekao je Kandif.

Izazovi u proizvodnji

Istraživači su uređaj izradili u Laboratoriji za nanofabrikaciju Luri (Lurie Nanofabrication Facility – LNF) na Univerzitetu u Mičigenu.

Jedan od glavnih izazova bio je osmisliti eksperimentalnu postavku koja ne uvodi spoljna električna polja, jer bi ona mogla da utiču na rezultate.

„To mi je bio najveći izazov jer ne postoji standardni način da se to izvede“, kaže Jiming Gong, prvi autor studije.

„Zato sam sarađivao sa osobljem LNF-a kako bismo isprobali različite postupke i temperature dok nismo osmislili proces proizvodnje.“

Potvrda teorije i kvantna pozadina

Prethodna istraživanja već su pokazala da svjetlost sama može da obezbijedi energiju za pokretanje elektrona.

Kandif navodi da je projekat proizašao iz njegovog ranijeg rada na razvoju fazno osjetljivog detektora za stabilizaciju takozvanih frekvencijskih češljeva, ključnih alata za preciznu kontrolu elektromagnetnih talasa.

Novo istraživanje nadovezuje se na ta saznanja 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 Kandif.

Snop se ne usmjerava fizičkim okretanjem, već rotiranjem polarizacije, odnosno smjera oscilovanja svjetlosti.

Ovaj rad predstavlja i potvrdu predviđanja teorijskog fizičara Džona Sajpa sa Univerziteta u Torontu.

On i njegove kolege teoretski su predvidjeli da će ovakva eksperimentalna postavka proizvesti snop usmjerenih elektrona bez primjene napona.

Mehanizam koji stoji iza toga poznat je kao kvantna interferencija, osnovni kvantni proces u kojem se talasne funkcije čestica mogu konstruktivno ili destruktivno uskladiti.

Potencijal za buduće tehnologije

U budućnosti bi ovo istraživanje moglo da pomogne u razjašnjavanju kvantne geometrije materijala, koja određuje njihovo osnovno ponašanje.

To bi moglo da unaprijedi kvantne senzore, tehnike snimanja i telekomunikacije, optimizujući prenos signala i količinu podataka.

Takođe, primjena kvantne interferencije mogla bi značajno da ubrza računarske procese tako što povećava vjerovatnoću dobijanja željenih rješenja, a potiskuje neželjena.

Ovaj napredak mogao bi da pomogne u daljem istraživanju subatomskih čestica i polja koja upravljaju opipljivim svijetom.

Istraživanje je objavljeno u časopisu „Fizikal rivju leters“ (Physical Review Letters).