Pesquisadores da Universidade de Michigan desenvolveram um dispositivo semicondutor que usa luz laser para direcionar o movimento dos elétrons sem a necessidade de campo elétrico aplicado ou fonte de energia elétrica.
O dispositivo foi projetado principalmente para investigar a física fundamental e demonstrar um comportamento que nunca havia sido observado anteriormente. No entanto, a descoberta poderá eventualmente apoiar tecnologias que combinem óptica e electrónica, incluindo detecção avançada, imagem e telecomunicações. Também pode levar a melhores maneiras de transmitir sinais entre dispositivos e codificar mais informações dentro deles.
“Este dispositivo elétrico que fabricamos no Centro de Nanofabricação de Lurie tem o potencial de se transformar em algo que mede diferentes aspectos da luz”, disse Yiming Gong, que ajudou a liderar o projeto como estudante de doutorado no Departamento de Física da UM. “Mas isso se origina de um nível fundamental da física, que é a interferência entre diferentes processos de absorção óptica.”
Fluxo direto de elétrons de duas cores de luz
Com o apoio federal da Fundação Nacional de Ciência dos EUA, a equipe demonstrou que duas cores diferentes de luz poderiam produzir um fluxo organizado de elétrons através de um semicondutor. Os pesquisadores também poderiam mudar a direção dessa corrente girando a polarização dos dois campos ópticos, que descreve a direção em que as ondas de luz oscilam.
“Não é assim que as coisas normalmente funcionam. Quando você pensa em elétrons se movendo através de um material, eles estão se movendo porque você aplicou um campo elétrico e eles realmente saltam e flutuam pelos materiais. Aqui, usando luz, você pode realmente esguichar os elétrons em uma direção específica sem aplicar um campo elétrico, “disse o físico Steven Cundiff da UM, autor sênior do novo relatório da equipe na revista Cartas de revisão física.
Estudos anteriores já haviam mostrado que a luz por si só poderia fazer com que os elétrons se movessem. O novo experimento vai além, produzindo um fluxo estreito de elétrons e controlando a direção precisa em que ele viaja.
“A luz não apenas liga a corrente; ela também a direciona”, disse Cundiff.
Um feixe de farol feito de elétrons
Cundiff compara o efeito a um farol que varre um feixe de luz através do horizonte enquanto sua lâmpada gira. Neste experimento, entretanto, o feixe móvel consiste em elétrons. Os cientistas podem girar esse feixe de elétrons ajustando a polarização dos dois campos ópticos de fase coerente.
O efeito depende da interferência quântica. Ocorre quando duas cores de luz enviam o semicondutor por diferentes caminhos de absorção que, em última análise, levam ao mesmo estado final. A luz fornece energia ao material em pacotes discretos ou quantizados, conhecidos como fótons. Esses fótons então mobilizam os portadores de carga elétrica do semicondutor.
Na configuração UM, o material absorve a luz que entra através de dois caminhos ao mesmo tempo. Cundiff comparou o processo a ondulações sobrepostas. Para os elétrons que se movem em uma direção, as ondulações se alinham e se reforçam. Para os elétrons viajando em outras direções, eles se cancelam.
Este reforço seletivo produz uma corrente que é concentrada em uma direção específica, em vez de se espalhar uniformemente pelo material.
Um dispositivo quântico há muito previsto se torna realidade
JE Sipe, da Universidade de Toronto, que colaborou com os investigadores num projecto anterior, previu que tal “farol electrónico” poderia ser criado. Gong finalmente transformou essa ideia teórica em um dispositivo funcional com a ajuda do Lurie Nanofabrication Facility.
“O LNF é uma instalação incrível”, disse Gong, acrescentando que foi um processo meticuloso fundir os materiais do dispositivo de uma forma que não introduzisse quaisquer campos elétricos estranhos.
A prevenção de campos eléctricos indesejados foi especialmente importante porque os investigadores precisavam de confirmar que o fluxo de electrões provinha inteiramente da luz. A produção do dispositivo exigiu que Gong e a equipe da instalação experimentassem diferentes métodos de fabricação.
“Esse foi o maior quebra-cabeça a ser resolvido para mim, porque não existe uma maneira padrão de fazer isso. Então trabalhei com a equipe da LNF para brincar com diferentes receitas e temperaturas para chegar a um processo de fabricação.”
Kai Wang, um ex-cientista de pós-doutorado que trabalhou com Cundiff e agora é professor de eletrônica e informação na Universidade Sun Yat-Sen, na China, também aconselhou Gong durante o projeto.
Desde então, Gong obteve seu doutorado pela UM e agora trabalha em Chicago como cientista de aprendizado de máquina. Nessa função, ele aplica as habilidades quantitativas e analíticas que desenvolveu durante sua pesquisa em física a problemas de aprendizado de máquina.
