- 21 dic 2017, 13:30
#5150
(Articolo tradotto e corretto dall'Inglese)
La luce può generare una corrente elettrica nei materiali semiconduttori. Questo è il modo in cui le celle solari generano elettricità dalla luce solare e come lo smart phone possono scattare fotografie. Per raccogliere la corrente elettrica generata, detta fotocorrente, è necessaria una tensione elettrica per forzare il flusso della corrente in una sola direzione.
In una nuova ricerca, gli scienziati dell'Università del Minnesota hanno utilizzato un dispositivo di prima generazione per dimostrare un modo per controllare la direzione della fotocorrente senza distribuire una tensione elettrica. Il nuovo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista scientifica Nature Communications.
Lo studio rivela che il controllo è effettuato dalla direzione in cui le particelle di luce, chiamate fotoni, girano in senso orario o antiorario. La fotocorrente generata dalla luce di filatura è anche circolarmente-polarizzata, il che significa che ci sono più elettroni con rotazione in una direzione che nell'altra. Questo nuovo dispositivo ha un potenziale significativo per l'utilizzo nella prossima generazione di microelettronica che utilizza la rotazione elettronica come unità fondamentale di informazione. Potrebbe anche essere utilizzato per la comunicazione ottica ad alta efficienza energetica nei data center.
"L'effetto osservato è molto forte e robusto nei nostri dispositivi, anche a temperatura ambiente e all'aria aperta", ha detto Mo Li, un professore associato all'Università del Minnesota di ingegneria elettrica e informatica e un autore principale dello studio. "Pertanto, il dispositivo che dimostriamo ha un grande potenziale per essere implementato nei sistemi di calcolo e comunicazione di prossima generazione".
Spinotti ottici e isolanti topologici
La luce è una forma di onda elettromagnetica. Il modo in cui il campo elettrico oscilla, in linea retta o rotante, è chiamato polarizzazione. (Occhiali da sole polarizzati bloccano parte della spiacevole luce riflessa che viene polarizzata lungo una linea retta). In presenza di luce polarizzata circolare, il campo elettrico può ruotare in senso orario o antiorario. In tale stato, si dice che la particella di luce (fotone) abbia un momento angolare di rotazione ottico positivo o negativo. Questa rotazione ottica è analoga alla rotazione degli elettroni e conferisce proprietà magnetiche ai materiali.
Recentemente, una nuova categoria di materiali, chiamati isolanti topologici (TI), è stata scoperta per avere una proprietà intrigante non trovata nei materiali semiconduttori comuni. Immaginate una strada su cui auto rosse possono solo guidare sulla corsia di sinistra, e le auto blu solo nella corsia di destra. Allo stesso modo, sulla superficie di un TI, gli elettroni con le loro rotazioni che indicano una via fluiscono sempre in una direzione. Questo effetto è chiamato bloccaggio del momento-rotativo - la rotazione degli elettroni è bloccata nella direzione di marcia.
È interessante notare che, splendendo una luce circolare polarizzata su un TI può liberare elettroni dal suo interno per fluire sulla sua superficie in modo selettivo, ad esempio, luce in senso orario per gli elettroni spin-up e in senso antiorario per gli elettroni spin-down. A causa di questo effetto, la fotocorrente generata sulla superficie del materiale TI scorre spontaneamente in una direzione che non richiede tensione elettrica. Questa particolare caratteristica è significativa per controllare la direzione di una fotocorrente. Poiché la maggior parte degli elettroni in questa corrente hanno le loro rotazioni che puntano in una sola direzione, questa corrente è circolarmente-polarizzata.
Direzione di controllo e polarizzazione
Per fabbricare il loro dispositivo unico che può cambiare la direzione di una fotocorrente senza l'uso di una tensione elettrica, il team di ricerca dell'Università ha integrato un sottilissimo film sottile di materiale TI di seleniuro di bismuto, su una guida d'onda ottica in silicio. La luce attraversa la guida d'onda (un piccolo filo largo 1,5 micron e alto 0,22 micron) proprio come la corrente elettrica scorre attraverso un filo di rame. Poiché la luce è strettamente compressa nella guida d'onda, essa tende ad essere polarizzata circolarmente lungo una direzione rispetto alla normale direzione in cui scorre. Questo è simile all'effetto di bloccaggio del momento-rotativo degli elettroni in un materiale TI.
Gli scienziati hanno supposto che l'integrazione di un materiale TI con la guida d'onda ottica indurrà un forte accoppiamento tra la luce nella guida d'onda e gli elettroni nel materiale TI, entrambi con lo stesso intrigante effetto di bloccaggio del momento-rotativo. L'accoppiamento si tradurrà in un unico effetto optoelettronico - la luce che scorre lungo una direzione nella guida d'onda genera una corrente elettrica che scorre nella stessa direzione con rotazione dell'elettrone polarizzato.
L'inversione della direzione della luce inverte sia la direzione della corrente che la sua polarizzazione della rotazione. E' questo è esattamente ciò che il team ha osservato nei loro dispositivi. Altre possibili cause dell'effetto osservato, come il calore generato dalla luce, sono state escluse attraverso attenti 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 di rotazione polarizzata che scorre sulla superficie di un isolante topologico". Essi possono essere utilizzati come sorgente di corrente per dispositivi "spintronici", che utilizzano elettroni.
La luce può generare una corrente elettrica nei materiali semiconduttori. Questo è il modo in cui le celle solari generano elettricità dalla luce solare e come lo smart phone possono scattare fotografie. Per raccogliere la corrente elettrica generata, detta fotocorrente, è necessaria una tensione elettrica per forzare il flusso della corrente in una sola direzione.
In una nuova ricerca, gli scienziati dell'Università del Minnesota hanno utilizzato un dispositivo di prima generazione per dimostrare un modo per controllare la direzione della fotocorrente senza distribuire una tensione elettrica. Il nuovo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista scientifica Nature Communications.
Lo studio rivela che il controllo è effettuato dalla direzione in cui le particelle di luce, chiamate fotoni, girano in senso orario o antiorario. La fotocorrente generata dalla luce di filatura è anche circolarmente-polarizzata, il che significa che ci sono più elettroni con rotazione in una direzione che nell'altra. Questo nuovo dispositivo ha un potenziale significativo per l'utilizzo nella prossima generazione di microelettronica che utilizza la rotazione elettronica come unità fondamentale di informazione. Potrebbe anche essere utilizzato per la comunicazione ottica ad alta efficienza energetica nei data center.
"L'effetto osservato è molto forte e robusto nei nostri dispositivi, anche a temperatura ambiente e all'aria aperta", ha detto Mo Li, un professore associato all'Università del Minnesota di ingegneria elettrica e informatica e un autore principale dello studio. "Pertanto, il dispositivo che dimostriamo ha un grande potenziale per essere implementato nei sistemi di calcolo e comunicazione di prossima generazione".
Spinotti ottici e isolanti topologici
La luce è una forma di onda elettromagnetica. Il modo in cui il campo elettrico oscilla, in linea retta o rotante, è chiamato polarizzazione. (Occhiali da sole polarizzati bloccano parte della spiacevole luce riflessa che viene polarizzata lungo una linea retta). In presenza di luce polarizzata circolare, il campo elettrico può ruotare in senso orario o antiorario. In tale stato, si dice che la particella di luce (fotone) abbia un momento angolare di rotazione ottico positivo o negativo. Questa rotazione ottica è analoga alla rotazione degli elettroni e conferisce proprietà magnetiche ai materiali.
Recentemente, una nuova categoria di materiali, chiamati isolanti topologici (TI), è stata scoperta per avere una proprietà intrigante non trovata nei materiali semiconduttori comuni. Immaginate una strada su cui auto rosse possono solo guidare sulla corsia di sinistra, e le auto blu solo nella corsia di destra. Allo stesso modo, sulla superficie di un TI, gli elettroni con le loro rotazioni che indicano una via fluiscono sempre in una direzione. Questo effetto è chiamato bloccaggio del momento-rotativo - la rotazione degli elettroni è bloccata nella direzione di marcia.
È interessante notare che, splendendo una luce circolare polarizzata su un TI può liberare elettroni dal suo interno per fluire sulla sua superficie in modo selettivo, ad esempio, luce in senso orario per gli elettroni spin-up e in senso antiorario per gli elettroni spin-down. A causa di questo effetto, la fotocorrente generata sulla superficie del materiale TI scorre spontaneamente in una direzione che non richiede tensione elettrica. Questa particolare caratteristica è significativa per controllare la direzione di una fotocorrente. Poiché la maggior parte degli elettroni in questa corrente hanno le loro rotazioni che puntano in una sola direzione, questa corrente è circolarmente-polarizzata.
Direzione di controllo e polarizzazione
Per fabbricare il loro dispositivo unico che può cambiare la direzione di una fotocorrente senza l'uso di una tensione elettrica, il team di ricerca dell'Università ha integrato un sottilissimo film sottile di materiale TI di seleniuro di bismuto, su una guida d'onda ottica in silicio. La luce attraversa la guida d'onda (un piccolo filo largo 1,5 micron e alto 0,22 micron) proprio come la corrente elettrica scorre attraverso un filo di rame. Poiché la luce è strettamente compressa nella guida d'onda, essa tende ad essere polarizzata circolarmente lungo una direzione rispetto alla normale direzione in cui scorre. Questo è simile all'effetto di bloccaggio del momento-rotativo degli elettroni in un materiale TI.
Gli scienziati hanno supposto che l'integrazione di un materiale TI con la guida d'onda ottica indurrà un forte accoppiamento tra la luce nella guida d'onda e gli elettroni nel materiale TI, entrambi con lo stesso intrigante effetto di bloccaggio del momento-rotativo. L'accoppiamento si tradurrà in un unico effetto optoelettronico - la luce che scorre lungo una direzione nella guida d'onda genera una corrente elettrica che scorre nella stessa direzione con rotazione dell'elettrone polarizzato.
L'inversione della direzione della luce inverte sia la direzione della corrente che la sua polarizzazione della rotazione. E' questo è esattamente ciò che il team ha osservato nei loro dispositivi. Altre possibili cause dell'effetto osservato, come il calore generato dalla luce, sono state escluse attraverso attenti 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 di rotazione polarizzata che scorre sulla superficie di un isolante topologico". Essi possono essere utilizzati come sorgente di corrente per dispositivi "spintronici", che utilizzano elettroni.
double ringraziano
Nulla va lasciato al caso se non si vuol mirar fumanti scintille... 
- da mars