La luz puede generar una corriente eléctrica en materiales semiconductores. Así es como las células solares generan electricidad a partir de la luz solar y cómo las cámaras de los teléfonos inteligentes pueden tomar fotografías. Para recolectar la corriente eléctrica generada, llamada fotocorriente, se necesita un voltaje eléctrico para forzar la corriente afluir en una sola dirección.
En una nueva investigación, los científicos de la Universidad de Minnesota utilizaron el primer dispositivo de su tipo para demostrar una forma de controlar la dirección de la fotocorriente sin desplegar un voltaje eléctrico. El nuevo estudio fue publicado recientemente en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza .
El estudio revela que el control se efectúa por la dirección en que las partículas de luz, llamadas fotones, giran, en sentido horario o antihorario. La fotocorriente generada por la luz giratoria también está polarizada, lo que significa que hay más electrones congire en una dirección que en la otra. Este nuevo dispositivo tiene un potencial significativo para su uso en la próxima generación de microelectrónica utilizando el giro de electrones como la unidad fundamental de información. También podría usarse para la comunicación óptica de eficiencia energética en los centros de datos.
"El efecto observado es muy fuerte y robusto en nuestros dispositivos, incluso a temperatura ambiente y al aire libre", dijo Mo Li, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Minnesota y autor principal del estudio. "Por lo tanto,el dispositivo que demostramos tiene un gran potencial para implementarse en los sistemas de computación y comunicación de próxima generación "
giro óptico y aislantes topológicos
La luz es una forma de onda electromagnética. La forma en que el campo eléctrico oscila, ya sea en línea recta o giratoria, se llama polarización. Sus gafas de sol polarizadas bloquean parte de la luz reflejada desagradable que se polariza a lo largo de una línea recta.luz polarizada circularmente, el campo eléctrico puede girar en sentido horario o antihorario. En tal estado, se dice que la partícula de luz fotón tiene un momento angular de giro óptico positivo o negativo. Este giro óptico es análogo al giro de los electronesy otorga propiedades magnéticas a los materiales.
Recientemente, se descubrió que una nueva categoría de materiales, llamada aislantes topológicos TI, tenía una propiedad intrigante que no se encuentra en los materiales semiconductores comunes. Imagine una carretera en la que los automóviles rojos solo conducen en el carril izquierdo, y los automóviles azules solo enel carril derecho. Del mismo modo, en la superficie de un TI, los electrones con sus espines apuntando en una dirección siempre fluyen en una dirección. Este efecto se llama bloqueo de momento de giro: el giro de los electrones se bloquea en la dirección en que viajan.
Curiosamente, al iluminar una luz polarizada circularmente en un TI puede liberar electrones de su interior para que fluyan sobre su superficie de manera selectiva, por ejemplo, luz en el sentido de las agujas del reloj para los electrones en rotación y en sentido antihorario para los electrones en rotación. Debido a este efecto, la fotocorriente generada en la superficie del material TI fluye espontáneamente en una dirección, sin necesidad de voltaje eléctrico. Esta característica particular es importante para controlar la dirección de una fotocorriente. Debido a que la mayoría de los electrones en esta corriente tienen sus espines apuntando en una soladirección, esta corriente está polarizada por rotación.
Dirección de control y polarización
Para fabricar su dispositivo único que puede cambiar la dirección de una fotocorriente sin el uso de un voltaje eléctrico, el equipo de investigación de la Universidad integró una película delgada de un material TI, seleniuro de bismuto, en una guía de onda óptica hecha de silicio. La luz fluye a través dela guía de ondas un cable pequeño que mide 1.5 micras de ancho y 0.22 micras de altura al igual que la corriente eléctrica fluye a través de un cable de cobre. Debido a que la luz está fuertemente apretada en la guía de ondas, tiende a polarizarse circularmente en una dirección normal a la dirección en la quefluye. Esto es similar al efecto de bloqueo del momento de giro de los electrones en un material TI.
Los científicos supusieron que la integración de un material de TI con la guía de onda óptica inducirá un fuerte acoplamiento entre la luz en la guía de onda y los electrones en el material de TI, ambos con el mismo efecto de bloqueo de giro de momento intrigante. El acoplamiento dará como resultado unEfecto optoelectrónico único: la luz que fluye a lo largo de una dirección en la guía de onda genera una corriente eléctrica que fluye en la misma dirección con un giro de electrones polarizado.
Invertir la dirección de la luz invierte tanto la dirección de la corriente como su polarización de giro. Y esto es exactamente lo que el equipo observó en sus dispositivos. Se han descartado otras posibles causas del efecto observado, como el calor generado por la luz.a través de experimentos cuidadosos.
perspectivas futuras
El resultado de la investigación es emocionante para los investigadores. Tiene un enorme potencial para posibles aplicaciones.
"Nuestros dispositivos generan una corriente polarizada por espín que fluye en la superficie de un aislante topológico. Se pueden usar como fuente de corriente para dispositivos espintrónicos, que utilizan espín electrónico para transmitir y procesar información con un costo energético muy bajo", dijo LiÉl, un estudiante graduado de física de la Universidad de Minnesota y autor del artículo.
"Nuestra investigación une dos importantes campos de la nanotecnología: la espintrónica y la nanofotónica. Está completamente integrada con un circuito fotónico de silicio que se puede fabricar a gran escala y ya se ha utilizado ampliamente en la comunicación óptica en los centros de datos", agregó.
Esta investigación fue financiada por el Centro de Materiales Espintrónicos, Interfaces y Arquitecturas Novedosas C-SPIN en la Universidad de Minnesota, un programa de la Corporación de Investigación de Semiconductores patrocinado por Microelectronics Advanced Research Corp. MARCO y los Proyectos de Investigación Avanzada de DefensaAgencia DARPA y la National Science Foundation NSF.
Parte de esta investigación se llevó a cabo en el Centro de Nanofabricación de la Universidad de Minnesota, que recibe apoyo parcial de NSF a través del programa de Infraestructura Coordinada Nacional de Nanotecnología NNCI, y el Centro de Caracterización, que es miembro de la Red de Instalaciones de Investigación de Materiales financiada por NSF a través deel programa del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Universidad de Minnesota MRSEC. Li Recibió una Beca de Tesis Doctoral proporcionada por la Escuela de Graduados de la Universidad de Minnesota que apoyó su trabajo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Minnesota . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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