Fizičari su razvili uređaj koji funkcioniše poput elektronskog svjetionika, emitujući usmjereni snop elektrona kojim se može upravljati pomoću svjetlosti, bez potrebe za vanjskim izvorom električne energije.
Otkriće bi moglo unaprijediti kvantne tehnologije, uključujući računarstvo, telekomunikacije i napredne senzore. Istraživanje je proveo tim sa Univerziteta u Michiganu.
Usmjereno kretanje elektrona osnova je gotovo svih savremenih elektronskih uređaja. Međutim, elektroni se ponašaju prema pravilima kvantne fizike, koja se znatno razlikuju od pojava koje vidimo u svakodnevnom svijetu.
Mogu se, naprimjer, nalaziti u više stanja istovremeno, što je poznato kao superpozicija. Novo istraživanje pruža dodatni uvid u takvo ponašanje i nudi jednostavniju sliku procesa koji se odvijaju na nivou čestica.
Svjetlost ne pokreće samo struju nego određuje i njen smjer
Uređaj koristi dvije laserske zrake različitih boja iz nevidljivog infracrvenog dijela spektra. Njima se kontroliše protok elektrona kroz poluprovodnički materijal.
Proces se razlikuje od uobičajenog načina stvaranja električne struje, pri kojem se elektroni pokreću primjenom električnog polja.
„Ovo nije uobičajen način rada. Kada razmišljamo o kretanju elektrona kroz materijal, oni se obično kreću zato što smo primijenili električno polje. Pri tome se sudaraju i postepeno prolaze kroz materijal“, objasnio je Steven Cundiff, eksperimentalni fizičar s Univerziteta u Michiganu i glavni autor istraživanja.
„Ovdje pomoću svjetlosti možemo doslovno ‘ispaliti’ elektrone u tačno određenom smjeru, bez primjene električnog polja“, dodao je.
Elektroni se kreću poput projektila
Struja proizvedena ovim procesom opisana je kao balistička.
To znači da se elektroni kreću putanjom koju određuju njihova početna brzina i smjer, umjesto da se nasumično šire kroz materijal i neprestano sudaraju s nečistoćama i sitnim oštećenjima u njegovoj strukturi.
Takvo ponašanje može se uporediti s projektilom koji nakon ispaljivanja nastavlja kretanje u zadanom smjeru.
„Vjerovatno je najviše iznenađujuće to što se struja proizvedena na ovaj način uopće može registrovati uređajem koji smo napravili“, rekao je Cundiff.
Proizvodnja uređaja bila je veliki izazov
Istraživači su uređaj izradili u laboratoriji Lurie Nanofabrication Facility na Univerzitetu u Michiganu.
Jedan od najvećih izazova bio je osmisliti eksperimentalni sistem koji neće stvarati vanjska električna polja, jer bi ona mogla utjecati na rezultate i otežati dokazivanje da elektrone zaista usmjerava samo svjetlost.
„To mi je bio najveći izazov jer ne postoji standardan način da se ovakav uređaj napravi“, rekao je Yiming Gong, prvi autor istraživanja.
„Zato sam sarađivao s osobljem laboratorije i isprobavao različite postupke i temperature sve dok nismo razvili odgovarajući proces proizvodnje“, dodao je.
Snop se usmjerava promjenom polarizacije
Ranija istraživanja već su pokazala da svjetlost može osigurati energiju potrebnu za pokretanje elektrona.
Novo istraživanje ide korak dalje i pokazuje da svjetlost ne mora samo uključiti električnu struju nego može odrediti i smjer u kojem će se elektroni kretati.
Snop se ne usmjerava fizičkim pomjeranjem lasera ili uređaja. Umjesto toga, istraživači mijenjaju polarizaciju svjetlosti, odnosno pravac u kojem njeni elektromagnetni talasi osciluju.
„Svjetlost više ne služi samo za uključivanje struje. Ona je sada i usmjerava“, objasnio je Cundiff.
Eksperiment potvrdio ranije teorijsko predviđanje
Rezultati istraživanja potvrđuju predviđanja teorijskog fizičara Johna Sipea sa Univerziteta u Torontu.
On i njegove kolege ranije su pretpostavili da bi ovakav eksperimentalni sistem mogao proizvesti usmjereni snop elektrona bez primjene električnog napona.
U osnovi procesa nalazi se kvantna interferencija, pojava pri kojoj se valne funkcije čestica međusobno pojačavaju ili poništavaju.
Konstruktivna interferencija povećava vjerovatnoću određenog ishoda, dok je destruktivna smanjuje. Upravo ta kontrola omogućava da se elektroni kreću željenim smjerom.
Moguća primjena u računarstvu i telekomunikacijama
U budućnosti bi ovo otkriće moglo pomoći naučnicima da bolje razumiju kvantnu geometriju materijala, koja određuje njihova osnovna elektronska svojstva i ponašanje.
Takva saznanja mogla bi unaprijediti kvantne senzore, medicinske i industrijske tehnike snimanja te telekomunikacijske sisteme, omogućavajući brži i efikasniji prijenos signala i većih količina podataka.
Kvantna interferencija mogla bi imati značajnu ulogu i u razvoju kvantnih računara. Ona omogućava pojačavanje vjerovatnoće željenih rezultata i potiskivanje pogrešnih, što bi određene računske procese moglo učiniti znatno bržim.
Iako je riječ o ranom eksperimentalnom koraku, uređaj pokazuje da je moguće precizno kontrolisati tok elektrona isključivo pomoću svjetlosti. Time se otvara novi put za istraživanje subatomskih čestica i razvoj tehnologija koje koriste neobična pravila kvantnog svijeta.