RW Space

Поток электронов питает нашу современную жизнь.

От бытовых удобств, таких как незаменимая фритюрница, до экранов различного размера, которые мы используем для работы и просмотра мемов, современные технологии функционируют за счет направленного потока электронов.

Однако электроны играют по странным правилам квантовой вселенной, демонстрируя странное поведение, невидимое в макроскопическом мире, например суперпозицию, которая позволяет им существовать во многих состояниях, пока их не наблюдают, а-ля Теоретически неживой кот Шредингера.

Однако иногда их странные действия действительно имеют реальные аналоги, которые помогают нам, не квантовым физикам, охватить часть нашего разума невидимыми процессами.

В своем революционном исследовании физики из Мичиганского университета (Ю-М) пролили свет на новую физику, разработав устройство электронного маяка, которое излучает луч электронов, которыми можно управлять с помощью различных «цветов» свет, не требуя какого-либо источника электроэнергии.

«Обычно все работает не так. Когда вы думаете об электронах, движущихся через материал, они движутся, потому что вы приложили электрическое поле, и они на самом деле подпрыгивают и дрейфуют по материалам», — объясняет Стивен Кандифф, физик-экспериментатор из UM, а также старший автор исследования.

«Здесь, используя свет, вы действительно можете как бы впрыскивать электроны в определенном направлении без приложения электрического поля».

При поддержке Национального научного фонда США исследователи создали устройство, которое использует два лазерных луча разных «цветов» (в невидимой инфракрасной области электромагнитного спектра) для управления потоком электронов через полупроводник.

«Наверное, самым удивительным является то, что токи, создаваемые этим процессом, можно даже обнаружить с помощью устройства, которое мы создали», – рассказал Кандифф журналу ScienceAlert.

«Генерируемый ток это «баллистический» ток, то есть электроны движутся по траектории, определяемой их начальной скоростью «запуска». Обычно электрические токи не являются баллистическими, а являются диффузионными, поскольку электроны постоянно рассеиваются на примесях и дефектах материала.

Исследователи построили свое устройство на заводе по нанотехнологиям Лурье (LNF) UM, тестируя различные методы создания экспериментальной установки, которая не создавала бы внешние электрические поля, которые могли бы исказить их результаты.

«Это была самая большая загадка, которую мне нужно было решить, потому что не существует стандартного способа сделать это», — говорит Имин. Гонг, специалист по машинному обучению, ныне работающий в Grainger, и первый автор исследования.

«Поэтому я работал с сотрудниками LNF, чтобы экспериментировать с различными рецептами и температурами, чтобы разработать производственный процесс».

Предыдущие теоретические и экспериментальные работы показали, что свет сам по себе может обеспечить энергию, необходимую для движения электронов.

«На самом деле, этот проект довольно интересен, потому что я начал работать над [его предшественником] много лет назад как над способом создания фазочувствительного детектор для использования в стабилизации частотных гребенок», — рассказал Кандифф журналу ScienceAlert.

Такие частотные гребенки являются центральными инструментами, позволяющими точно управлять электромагнитными волнами, создавать более точные часы, компьютеры и системы связи.

Это исследование основывается на предыдущих работах и ​​демонстрирует, что свет можно использовать для того, чтобы побудить электроны течь в форме луча, которую авторы сравнивают с маяком.

«Свет больше не просто включает ток; он также направляет его», — объясняет Кандифф.

Однако нацелить этот электронный луч сложнее, чем просто поворачивать лампу. Вместо этого исследователи вращают электронный луч, вращая поляризацию – или направление колебаний – света.

Эта работа также представляет собой плод предсказания, сделанного предыдущим сотрудником, Джоном Сайпом, физиком-теоретиком из Университета Торонто.

Сайп и его коллеги предсказали, что эта экспериментальная установка приведет к наблюдаемому эффекту «электронного маяка», генерируя пучок направленных электронов в отсутствие приложенного напряжения.

Основной механизм известен как квантовая интерференция, «визитный» квантовый процесс.

В отличие от классических частиц с четко определенными траекториями, в совершенно нелогичном субатомном мире, где частицы действуют как нечеткие волны, квантовые интерференция описывает, как волновые функции этих частиц могут выравниваться конструктивно или деструктивно.

В будущем это исследование может помочь выяснить квантовую геометрию материалов, определяющую их фундаментальное поведение. В результате оно может помочь улучшить множество технологий, включая методы квантового зондирования, которые направлены на описание физических величин со все более возрастающими значениями. точность.

По теме: первый в своем роде квантовый материал, работающий при комнатной температуре

Прогресс в области квантовой интерференции может также улучшить визуализацию и телекоммуникации, улучшив передачу сигналов между устройствами и увеличив объем передаваемых ими данных.

Аналогично, квантовая интерференция может привести к значительному ускорению вычислений за счет увеличения вероятности получения желаемых вычислительных решений и подавления вероятности получения нежелательных

Будущее квантовое, и этот маяк может помочь нам ориентироваться в всё ещё тёмном, невидимом море субатомных частиц и полей, которые управляют реальным миром.

Это исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.