Al codificar información en fotones a través de su rotación, las computadoras "fotónicas" podrían ser órdenes de magnitud más rápidas y eficientes que sus contrapartes actuales. Del mismo modo, codificar información en la rotación de electrones, en lugar de solo su cantidad, podría hacer "spintrónica""computadoras con ventajas similares.
Los ingenieros y físicos de la Universidad de Pensilvania ahora han descubierto una propiedad del silicio que combina aspectos de todas estas cualidades deseables.
En un estudio publicado en ciencia , han demostrado un dispositivo fotónico a base de silicio que es sensible al giro de los fotones en un láser iluminado en uno de sus electrodos. La luz polarizada en sentido horario hace que la corriente fluya en una dirección, mientras que la luz polarizada en sentido antihorariohace que fluya en la otra dirección.
Esta propiedad se escondía a simple vista; es una función de la relación geométrica entre el patrón de átomos en la superficie de los nanocables de silicio y cómo los electrodos colocados en esos cables los intersectan. La interacción entre el silicio semiconductor y los electrodos metálicos produceun campo eléctrico en un ángulo que rompe la simetría del espejo que el silicio exhibe típicamente. Esta propiedad quiral es lo que envía electrones en una dirección u otra por el nanocable, dependiendo de la polaridad de la luz que golpea los electrodos.
El estudio fue dirigido por Ritesh Agarwal, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn, y Sajal Dhara, investigador postdoctoral en el laboratorio de Agarwal. Colaboraron con Eugene Mele, profesor en elDepartamento de Física y Astronomía en la Escuela de Artes y Ciencias de Penn.
"Cada vez que cambias una simetría, puedes hacer cosas nuevas", dijo Agarwal. "En este caso, hemos demostrado cómo hacer que un fotodetector sea sensible al giro de un fotón. Todas las computadoras fotónicas necesitan fotodetectores, pero actualmente solo usan elcantidad de fotones para codificar información. Esta sensibilidad al giro de fotones sería un grado adicional de libertad, lo que significa que podría codificar información adicional sobre cada fotón.
"Típicamente, los materiales con elementos pesados muestran esta propiedad debido a que sus espines interactúan fuertemente con el movimiento orbital del electrón, pero hemos demostrado este efecto en la superficie del silicio, que se origina solo del movimiento orbital del electrón"
Agarwal y Dhara se acercaron a Mele debido a su trabajo en aisladores topológicos. Él, junto con el físico de Penn, Charles Kane, sentó las bases para esta nueva clase de materiales, que son aislantes eléctricos en sus interiores pero conducen electricidad en su interior.superficies.
El grupo de Agarwal estaba trabajando en varios materiales que exhiben efectos topológicos, pero para verificar sus métodos, Mele sugirió probar también sus experimentos con silicio. Como material ligero y altamente simétrico, no se creía que el silicio pudiera exhibir estospropiedades.
"Esperamos que el experimento de control dé un resultado nulo, en su lugar descubrimos algo nuevo sobre los nanomateriales", dijo Mele.
El silicio es el corazón de la industria informática, por lo que es preferible encontrar formas de producir este tipo de efectos en ese elemento que aprender a trabajar con los elementos más pesados y raros que los exhiben de forma natural.
Una vez que quedó claro que el silicio era capaz de tener propiedades quirales, los investigadores se propusieron descubrir los mecanismos atómicos detrás de él.
"El efecto provenía de la superficie del nanocable", dijo Dhara. "De la forma en que se cultivan la mayoría de los nanocables de silicio, los átomos están unidos en cadenas en zigzag que van a lo largo de la superficie, no hacia abajo en el cable".
Estos patrones de zigzag son tales que colocar un espejo encima de ellos produciría una imagen que podría superponerse al original. Es por eso que el silicio no es intrínsecamente quiral. Sin embargo, cuando los electrodos metálicos se colocan en el cable en la perpendicular típicamoda, se cruzan en la dirección de las cadenas en un ligero ángulo.
"Cuando tienes algún metal y cualquier semiconductor en contacto, obtendrás un campo eléctrico en la interfaz, y es este campo el que está rompiendo la simetría del espejo en las cadenas de silicio", dijo Dhara.
Debido a que la dirección del campo eléctrico no coincide exactamente con la dirección de las cadenas en zigzag, hay ángulos donde el silicio es asimétrico. Esto significa que puede exhibir propiedades quirales. Brillar un láser polarizado circularmente en el punto del nanocable donde el metaly la reunión de semiconductores produce una corriente, y el giro de los fotones en ese láser determina la dirección del flujo de la corriente.
Dhara y Agarwal están trabajando actualmente en formas de obtener silicio plano para exhibir estas propiedades utilizando el mismo mecanismo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :