Einem Forschungsteam der University of Michigan in den USA gelang kürzlich ein Durchbruch und die Entwicklung eines neuen Halbleiterbauelements. Dieses Gerät benötigt keine externe Spannung. Es kann die Richtung des Elektronenflusses innerhalb des Halbleiters mit nur zwei Laserstrahlen erzeugen und präzise steuern und so das gerichtete „Antreiben und Ausrichten“ von Licht durch Strom erreichen. Dieses wissenschaftliche Forschungsergebnis wurde in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht und soll in Zukunft neue Wege in den Bereichen optoelektronische Fusion, Präzisionssensorik, fortschrittliche Bildgebung und Telekommunikationstechnologie eröffnen.
Die traditionelle Ansicht ist, dass der Elektronenfluss in Halbleitern auf der Ansteuerung durch ein externes elektrisches Feld beruht und Elektronen während Drift und Kollision Ströme bilden. In Experimenten des Teams von Professor Steven Cundiff, leitender Autor des Fachbereichs Physik an der University of Michigan, verwendeten Forscher zwei kohärente Laserstrahlen unterschiedlicher Farbe, um eine neue Halbleiterstruktur zu beleuchten. Durch Ändern der Polarisationsrichtung der beiden Lichtstrahlen (also der Schwingungsrichtung der Lichtwelle) können sie Elektronen wie einen „Jet“ in eine bestimmte Richtung schicken. Professor Kundiff verglich dieses Phänomen anschaulich mit einem „elektronischen Leuchtturm“ – genau wie das rotierende Licht eines Leuchtturms, das über die Meeresoberfläche fegt, kann der Elektronenstrahl durch Anpassung der Lichtparameter auch flexibel in verschiedene Richtungen innerhalb des Halbleiters streichen.
Der zentrale physikalische Mechanismus hinter dieser Innovation ist die „Quanteninterferenz“. Wenn ein Halbleiter gleichzeitig Photonen zweier verschiedener Farben absorbiert, treten zwei unterschiedliche Lichtabsorptionswege auf. In bestimmten Richtungen überlappen und verstärken sich die von den beiden Pfaden erzeugten Wellen gegenseitig, wodurch Elektronen in diese Richtung fließen. in anderen Richtungen heben sich die Wellen gegenseitig auf. Obwohl Professor J.E. Sipe von der University of Toronto vor vielen Jahren die theoretische Vorhersage von „elektronischen Leuchttürmen“ vorschlug, konnte dieses Phänomen erst durch dieses Experiment erstmals erfolgreich in ein betriebsfähiges physikalisches Gerät umgewandelt werden.
Die Herstellung des Geräts wurde von Gong Yiming, Co-Hauptautor der Arbeit und Doktorand am Fachbereich Physik der University of Michigan, an der Lurie Nanofabrication Facility abgeschlossen. Um Materialien zu verschmelzen, ohne dass es zu Störungen durch elektrische Streufelder kommt, beschäftigte sich das Forschungsteam wiederholt mit Herstellungsprozessen und der Temperaturkontrolle und schaffte es schließlich, theoretische Vorhersagen in die Realität umzusetzen. Experten sagen, dass diese auf Quanteninterferenzkontrolle basierende gerichtete Photostromtechnologie nicht nur das menschliche Verständnis grundlegender physikalischer Phänomene vertieft, sondern auch die Übertragungskapazität von Informationen innerhalb und zwischen Geräten erheblich verbessert und damit eine solide Grundlage für die nächste Generation optoelektronischer Hochgeschwindigkeitstechnologie mit hoher Kapazität legt.