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 recoger la corriente eléctrica generada, llamado fotocorriente, se necesita un voltaje eléctrico para forzar que la corriente fluya en una sola dirección.

En una nueva investigación, Los científicos de la Universidad de Minnesota utilizaron un dispositivo único en 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 la que las partículas de luz, llamados fotones, están girando, en sentido horario o antihorario. La fotocorriente generada por la luz giratoria también está polarizada en espín, lo que significa que hay más electrones con espín 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 espín del electrón como la unidad fundamental de información. También podría utilizarse para comunicaciones ópticas energéticamente eficientes en 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 ser implementado en sistemas de comunicación y computación de próxima generación ".

Aisladores topológicos y de giro óptico

La luz es una forma de onda electromagnética. La forma en que oscila el campo eléctrico, ya sea en línea recta o girando, se llama polarización. (Sus gafas de sol polarizadas bloquean parte de la desagradable luz reflejada que está polarizada a lo largo de una línea recta). En luz circularmente polarizada, 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 espín óptico es análogo al espín de los electrones, y confiere propiedades magnéticas a los materiales.

Recientemente, una nueva categoría de materiales, llamados aislantes topológicos (TI), se descubrió que tiene una propiedad intrigante que no se encuentra en los materiales semiconductores comunes. Imagina una carretera en la que los coches rojos solo circulan por el carril izquierdo, y autos azules solo en el carril derecho. Similar, en la superficie de una TI, los electrones con sus espines apuntando en una dirección siempre fluyen en una dirección. Este efecto se denomina bloqueo de impulso de espín:el giro de los electrones se bloquea en la dirección en la que viajan.

Curiosamente, Hacer brillar una luz polarizada circularmente sobre un TI puede liberar electrones de su interior para que fluyan sobre su superficie de forma selectiva, por ejemplo, luz en el sentido de las agujas del reloj para los electrones de spin-up y en sentido antihorario para los electrones de spin-down. Debido a este efecto, la fotocorriente generada en la superficie del material de TI fluye espontáneamente en una dirección, no requiere 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 sola dirección, esta corriente está polarizada en espín.

Control de dirección y polarización

Para fabricar su dispositivo único que puede cambiar la dirección de una fotocorriente sin el uso de voltaje eléctrico, El equipo de investigación de la Universidad integró una película delgada de un material de TI, seleniuro de bismuto, en una guía de ondas óptica hecha de silicio. La luz fluye a través de la guía de ondas (un cable diminuto que mide 1,5 micrones de ancho y 0,22 micrones de alto) al igual que la corriente eléctrica fluye a través de un cable de cobre. Debido a que la luz se aprieta fuertemente en la guía de ondas, tiende a estar polarizado circularmente a lo largo de una dirección normal a la dirección en la que fluye. Esto es similar al efecto de bloqueo de espín-momento de los electrones en un material de TI.

Los científicos supusieron que la integración de un material de TI con la guía de ondas óptica inducirá un fuerte acoplamiento entre la luz en la guía de ondas y los electrones en el material de TI. ambos tienen lo mismo, intrigante efecto de bloqueo del impulso de giro. El acoplamiento dará como resultado un efecto optoelectrónico único:la luz que fluye a lo largo de una dirección en la guía de ondas genera una corriente eléctrica que fluye en la misma dirección con el espín del electrón polarizado.

Invertir la dirección de la luz invierte tanto la dirección de la corriente como su polarización de espín. Y esto es exactamente lo que el equipo observó en sus dispositivos. Otras posibles causas del efecto observado, como el calor generado por la luz, han sido descartados mediante cuidadosos experimentos.

Perspectivas de futuro

El resultado de la investigación es emocionante para los investigadores. Tiene un enorme potencial para posibles aplicaciones.

"Nuestros dispositivos generan una corriente con polarización de espín que fluye sobre la superficie de un aislante topológico. Pueden utilizarse como fuente de corriente para dispositivos espintrónicos, que utilizan espín de electrones para transmitir y procesar información con un coste energético muy bajo, "dijo Li He, estudiante de posgrado en física de la Universidad de Minnesota y autor del artículo.

"Nuestra investigación une dos campos importantes 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 centros de datos". "Añadió.