Группа ученых из Чикагского университета и Университета штата Пенсильвания случайно открыли новый способ использования света для рисования и стирания квантово-механических контуров в уникальном классе материалов, называемых топологическими изоляторами.
В отличие от использования современных нанотехнологий, основанных на химической обработке материалов, эта гибкая технология позволяет перезаписывать "оптическое изготовление" устройств. Этот вывод, вероятно, породит новые разработки в новых технологиях, таких как маломощная электроника на основе спина электронов или сверхбыстрые квантовые компьютеры.
Электроны в топологических изоляторах обладают уникальными квантовыми свойствами, которые, по мнению многих ученых, будут полезны для разработки спиновой электроники и квантовых компьютеров. Однако создание даже самых простых экспериментальных схем из этих материалов оказалось затруднительным, поскольку традиционные методы полупроводниковой инженерии, как правило, разрушают их хрупкие квантовые свойства. Даже кратковременное воздействие воздуха может ухудшить их качество.
В Science Advances исследователи сообщают об открытии оптического эффекта, который позволяет им "настраивать" энергию электронов в этих материалах с помощью света и без необходимости прикасаться к самому материалу. Они впервые использовали его для рисования и стирания p-n-соединений - одного из центральных компонентов транзистора - в топологическом изоляторе.
Как и многие научные достижения, путь к этому открытию имел неожиданный поворот.
"Честно говоря, мы пытались изучить нечто совершенно иное, - говорит аспирант лаборатории Авшалома Эндрю Йеац. "В наших измерениях наблюдался медленный дрейф, который мы проследили до определенного типа люминесцентных ламп в нашей лаборатории. Сначала мы были рады избавиться от него, а потом он поразил нас - наши комнатные светильники делали то, над чем люди очень упорно работали в этих материалах".
Исследователи обнаружили, что поверхность титаната стронция, материала субстрата, на котором они выращивали свои образцы, становится электрически поляризованной под воздействием ультрафиолетового света, и свет в их комнате испускается с правильной длиной волны. Электрическое поле из поляризованного титаната стронция просачивалось в слой топологического изолятора, изменяя его электронные свойства.
Авшалом и его коллеги обнаружили, что, целенаправленно фокусируя лучи света на своих образцах, они могут рисовать электронные структуры, которые сохранялись долгое время после того, как свет был удален.
"Это как будто у нас в лаборатории есть что-то вроде квантового травления", - сказал он. Они также обнаружили, что яркий красный свет противодействует ультрафиолетовому излучению, позволяя им как писать, так и стирать информацию. "Вместо того, чтобы проводить недели в чистых помещениях и загрязнять наши материалы, - сказал Авшалом, - теперь мы можем делать наброски и измерять устройства для наших экспериментов в режиме реального времени". Когда мы закончим, мы просто сотрем его и сделаем что-нибудь еще. Мы сможем сделать это менее чем за секунду".
Чтобы проверить, может ли новая технология влиять на уникальные свойства топологических изоляторов, команда исследователей провела измерения их образцов в условиях высоких магнитных полей. Они обнаружили многообещающие сигнатуры эффекта, называемого слабой антилокализацией, который возникает из-за квантовой интерференции между различными одновременными путями прохождения электронов через материал, когда они ведут себя как волны.
"Одним из интересных аспектов этой работы является то, что она неинвазивна", - сказал Нитин Самарт, профессор и Даунсброуз Глава физики штата Пенсильвания и ведущий исследователь проекта. "Поскольку электрическая поляризация происходит в соседнем материале, а эффект сохраняется в темноте, топологический изолятор остается относительно неповрежденным. С этими хрупкими квантовыми материалами, иногда приходится использовать легкое прикосновение."
Для лучшего понимания физики эффекта исследователи провели ряд контрольных измерений, которые показали, что оптический эффект проявляется не только в топологических изоляторах, но и может воздействовать на другие материалы, выращенные на стронцовом титанате.
"В некотором смысле, самым захватывающим аспектом этой работы является то, что она должна быть применима к широкому спектру наноразмерных материалов, таких как сложные оксиды, графен и дихалькогениды переходных металлов", - сказал Авшалом.
"Дело не только в том, что это быстрее и проще. Этот эффект может позволить проводить электрическую настройку материалов в широком диапазоне оптических, магнитных и спектроскопических экспериментов, где электрические контакты чрезвычайно сложны или просто невозможны".