Novo otkriće mijenja pravila elektronike, ovaj uređaj pomoću svjetlosti upravlja strujom

Tok elektrona pokreće gotovo svu modernu tehnologiju – od kućanskih uređaja do računara i ekrana koje svakodnevno koristimo. Iako su elektroni temelj elektronskih uređaja, njihovo ponašanje određuju pravila kvantne fizike, zbog čega često pokazuju osobine koje nemaju pandan u svijetu koji možemo vidjeti golim okom.

Tim fizičara s Univerziteta Michigan sada je predstavio uređaj koji su nazvali "elektronski svjetionik", a koji omogućava usmjeravanje snopa elektrona pomoću različitih "boja" svjetlosti, bez potrebe za električnim izvorom napajanja. Rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Physical Review Letters.

Šta kažu stručnjaci?Drevni "zombi virusi" bude se iz Zemljinog leda, treba li čovječanstvo strahovati

Elektroni se usmjeravaju svjetlošću umjesto električnim poljem

Istraživači su razvili uređaj u kojem se koriste dva laserska snopa različitih talasnih dužina iz infracrvenog dijela elektromagnetnog spektra kako bi kontrolisali kretanje elektrona kroz poluprovodnik. Kako objašnjava Steven Cundiff, eksperimentalni fizičar s Univerziteta Michigan i glavni autor istraživanja, elektroni se u materijalima uobičajeno kreću zato što na njih djeluje električno polje, pri čemu se odbijaju od različitih prepreka i postepeno prolaze kroz materijal, piše Science Alert.

U ovom slučaju, međutim, svjetlost omogućava da se elektroni usmjere u određenom pravcu bez primjene električnog polja. Istraživanje je provedeno uz podršku američke Nacionalne fondacije za nauku (NSF).

Otkriven takozvani balistički tok elektrona

Steven Cundiff rekao je za ScienceAlert da ga je najviše iznenadilo to što su struje nastale ovim procesom uopće bile dovoljno snažne da ih je moguće izmjeriti uređajem koji su napravili. Objasnio je da je riječ o takozvanoj balističkoj električnoj struji, što znači da se elektroni kreću putanjom određenom početnom brzinom kojom su "ispaljeni". Za razliku od toga, u uobičajenim električnim strujama elektroni se stalno sudaraju s nečistoćama i nepravilnostima u materijalu, zbog čega se njihovo kretanje raspršuje.

Kako bi izbjegli vanjska električna polja koja bi mogla utjecati na rezultate, istraživači su uređaj izradili u Centru za nanofabrikaciju Lurie pri Univerzitetu Michigan i testirali različite proizvodne metode. Prvi autor rada Yiming Gong rekao je da je upravo razvoj odgovarajućeg proizvodnog procesa predstavljao najveći izazov, jer nije postojao standardni način za izradu takvog eksperimentalnog sistema. Zbog toga je, zajedno sa stručnjacima iz centra, isprobavao različite postupke i temperature dok nisu razvili odgovarajući proces proizvodnje.

Nastavak ranijih istraživanja

Ranija teorijska i eksperimentalna istraživanja već su pokazala da sama svjetlost može osigurati energiju potrebnu za pokretanje elektrona. Cundiff navodi da je ovaj projekt zapravo nastavak rada koji je prije više godina započeo s ciljem razvoja fazno osjetljivog detektora za stabilizaciju frekvencijskih češljeva.

Takvi frekvencijski češljevi danas predstavljaju ključnu tehnologiju za preciznu kontrolu elektromagnetnih talasa i omogućavaju razvoj preciznijih satova, računara i komunikacijskih sistema. Novo istraživanje pokazuje da svjetlost ne služi samo za pokretanje električne struje, nego i za njeno usmjeravanje u obliku snopa, zbog čega su autori taj efekat uporedili sa svjetionikom.

Smjer elektrona mijenja se promjenom polarizacije svjetlosti

Za razliku od običnog svjetionika, kod kojeg se svjetlosni snop okreće mehanički, u ovom slučaju istraživači mijenjaju smjer elektronskog snopa rotiranjem polarizacije svjetlosti, odnosno promjenom smjera njenog oscilovanja. Ovo istraživanje ujedno potvrđuje predviđanje koje je ranije iznio teorijski fizičar John Sipe s Univerziteta u Torontu.

Sipe i njegovi saradnici predvidjeli su da bi ovakav eksperimentalni sistem mogao proizvesti efekat "elektronskog svjetionika", odnosno usmjereni snop elektrona bez primjene električnog napona. Temelj cijelog procesa predstavlja kvantna interferencija, jedan od karakterističnih fenomena kvantne fizike.

Za razliku od klasičnih čestica koje imaju jasno određene putanje, u subatomskom svijetu čestice se ponašaju poput talasa, pa njihove talasne funkcije mogu međusobno djelovati tako da se pojačavaju ili poništavaju.

Moguća primjena u kvantnim tehnologijama

Autori navode da bi ovo istraživanje moglo pomoći u boljem razumijevanju kvantne geometrije materijala, koja određuje njihova osnovna svojstva. Takva saznanja mogla bi unaprijediti više tehnologija, uključujući metode kvantnog mjerenja kojima se fizičke veličine određuju sa sve većom preciznošću.

Napredak u razumijevanju kvantne interferencije mogao bi poboljšati i sisteme za obradu slike i telekomunikacije, omogućavajući efikasniji prijenos signala između uređaja i veći kapacitet prenosa podataka. Isti fenomen mogao bi doprinijeti i znatnom ubrzanju kvantnog računarstva, jer povećava vjerovatnoću dobijanja željenih računskih rješenja, a istovremeno smanjuje vjerovatnoću neželjenih ishoda.

Istraživanje je objavljeno u naučnom časopisu Physical Review Letters.