A luz pode gerar uma corrente elétrica em materiais semicondutores. É assim que as células solares geram eletricidade a partir da luz do sol e como as câmeras de smartphones podem tirar fotos. Para coletar a corrente elétrica gerada, chamada fotocorrente, uma voltagem elétrica é necessária para forçar a corrente a fluir em apenas uma direção.

Em uma nova pesquisa, cientistas da Universidade de Minnesota usaram um dispositivo inédito para demonstrar uma maneira de controlar a direção da fotocorrente sem lançar uma voltagem elétrica. O novo estudo foi publicado recentemente na revista científica Nature Communications .

O estudo revela que o controle é efetuado pela direção em que as partículas de luz, chamados fótons, estão girando - no sentido horário ou anti-horário. A fotocorrente gerada pela luz giratória também é polarizada por spin, o que significa que há mais elétrons com spin em uma direção do que na outra. Este novo dispositivo possui um potencial significativo para uso na próxima geração de microeletrônica usando o spin do elétron como a unidade fundamental de informação. Também pode ser usado para comunicação óptica com eficiência energética em centros de dados.

"O efeito observado é muito forte e robusto em nossos dispositivos, mesmo à temperatura ambiente e ao ar livre, "disse Mo Li, um professor associado de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Minnesota e um dos principais autores do estudo. "Portanto, o dispositivo que demonstramos tem grande potencial para ser implementado em sistemas de computação e comunicação de próxima geração. "

Spin óptico e isoladores topológicos

A luz é uma forma de onda eletromagnética. A forma como o campo elétrico oscila, em linha reta ou em rotação, é chamado de polarização. (Seus óculos de sol polarizados bloqueiam parte da desagradável luz refletida que é polarizada ao longo de uma linha reta.) Na luz polarizada circularmente, o campo elétrico pode girar no sentido horário ou anti-horário. Em tal estado, diz-se que a partícula de luz (fóton) tem momento angular de spin óptico positivo ou negativo. Este spin óptico é análogo ao spin dos elétrons, e confere propriedades magnéticas aos materiais.

Recentemente, uma nova categoria de materiais, chamados isoladores topológicos (TI), foi descoberto ter uma propriedade intrigante não encontrada em materiais semicondutores comuns. Imagine uma estrada em que os carros vermelhos circulem apenas na faixa da esquerda, e carros azuis apenas na faixa da direita. De forma similar, na superfície de um TI, os elétrons com seus spins apontando para uma direção sempre fluem em uma direção. Esse efeito é chamado de travamento do momento de spin - o spin dos elétrons é travado na direção em que viajam.

Interessantemente, brilhar uma luz polarizada circularmente em um TI pode liberar elétrons de seu interior para fluir em sua superfície de forma seletiva, por exemplo, luz no sentido horário para elétrons spin-up e anti-horário para elétrons spin-down. Por causa desse efeito, a fotocorrente gerada na superfície do material TI flui espontaneamente em uma direção, sem necessidade de tensão elétrica. Este recurso particular é significativo para controlar a direção de uma fotocorrente. Como a maioria dos elétrons nesta corrente tem seus spins apontando em uma única direção, esta corrente é polarizada por spin.

Controle de direção e polarização

Para fabricar seu dispositivo único que pode mudar a direção de uma fotocorrente sem o uso de uma voltagem elétrica, a equipe de pesquisa da Universidade integrou uma película fina de um material de TI, seleneto de bismuto, em um guia de ondas óptico feito de silício. A luz flui através do guia de ondas (um fio minúsculo medindo 1,5 mícron de largura e 0,22 mícron de altura) assim como a corrente elétrica flui por um fio de cobre. Porque a luz está fortemente comprimida no guia de ondas, ele tende a ser circularmente polarizado ao longo de uma direção normal à direção em que flui. Isso é semelhante ao efeito de bloqueio do momento de rotação dos elétrons em um material TI.

Os cientistas supuseram que a integração de um material TI com o guia de onda óptico induzirá um forte acoplamento entre a luz no guia de onda e os elétrons no material TI, ambos tendo o mesmo, efeito de bloqueio intrigante do spin-momentum. O acoplamento resultará em um efeito optoeletrônico único - a luz fluindo ao longo de uma direção no guia de onda gera uma corrente elétrica fluindo na mesma direção com o spin do elétron polarizado.

Reverter a direção da luz inverte a direção da corrente e sua polarização de spin. E foi exatamente isso que a equipe observou em seus aparelhos. Outras possíveis causas do efeito observado, como o calor gerado pela luz, foram descartados por meio de experimentos cuidadosos.

Perspectivas futuras

O resultado da pesquisa é emocionante para os pesquisadores. Possui um enorme potencial para possíveis aplicações.

"Nossos dispositivos geram uma corrente polarizada por spin que flui na superfície de um isolador topológico. Eles podem ser usados ​​como uma fonte de corrente para dispositivos spintrônicos, que usam o spin do elétron para transmitir e processar informações com custo de energia muito baixo, "disse Li He, um estudante de graduação em física da Universidade de Minnesota e um autor do artigo.

“Nossa pesquisa une dois campos importantes da nanotecnologia:spintrônica e nanofotônica. Está totalmente integrada a um circuito fotônico de silício que pode ser fabricado em grande escala e já tem sido amplamente utilizado em comunicação óptica em data centers, " Ele adicionou.