Para peneliti di Universitas Michigan telah mengembangkan perangkat semikonduktor yang menggunakan sinar laser untuk mengarahkan pergerakan elektron tanpa memerlukan penerapan medan listrik atau sumber tenaga listrik.
Perangkat ini terutama dirancang untuk mempelajari fisika dasar dan menunjukkan perilaku yang belum pernah diamati sebelumnya. Namun, penemuan ini pada akhirnya dapat mendukung teknologi yang menggabungkan optik dan elektronik, termasuk penginderaan, pencitraan, dan telekomunikasi tingkat lanjut. Hal ini juga dapat menghasilkan cara yang lebih baik dalam mentransmisikan sinyal antar perangkat dan menyandikan lebih banyak informasi di dalamnya.
“Perangkat listrik yang kami buat di Fasilitas Nanofabrikasi Lurie ini berpotensi berubah menjadi sesuatu yang mengukur berbagai aspek cahaya,” kata Yiming Gong, yang membantu memimpin proyek tersebut sebagai mahasiswa doktoral di departemen fisika UM. “Tetapi hal ini berasal dari tingkat fisika yang sangat mendasar, yaitu interferensi antara proses penyerapan optik yang berbeda.”
Dua warna cahaya Aliran elektron langsung
Dengan dukungan federal dari US National Science Foundation, tim tersebut menunjukkan bahwa dua warna cahaya yang berbeda dapat menghasilkan aliran elektron yang terorganisir melalui semikonduktor. Para peneliti juga dapat mengubah arah arus ini dengan memutar polarisasi dua bidang optik, yang menggambarkan arah osilasi gelombang cahaya.
Ketika Anda berpikir tentang elektron yang bergerak melalui suatu material, mereka bergerak karena Anda menerapkan medan listrik dan mereka memantul dan melayang melalui material. Di sini, dengan menggunakan cahaya, Anda sebenarnya dapat menembakkan elektron ke arah tertentu tanpa menerapkan medan listrik, kata fisikawan UM Steven Cundiff, penulis utama laporan baru tim di jurnal tersebut. Surat Pemeriksaan Fisik.
Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa cahaya saja dapat membuat elektron bergerak. Eksperimen baru ini melangkah lebih jauh dengan menghasilkan aliran elektron yang sempit dan mengontrol arah pergerakannya secara tepat.
“Cahaya tidak lagi hanya menyalakan daya; namun juga mengarahkannya,” kata Cundiff.
Sinar mercusuar terbuat dari elektron
Cundiff mengibaratkan efeknya seperti mercusuar yang menyapu sinar melintasi cakrawala saat lampunya berputar. Namun pada percobaan ini berkas yang bergerak terdiri dari elektron. Para ilmuwan dapat memutar berkas elektron ini dengan menyesuaikan polarisasi bidang optik koheren dua fase.
Efeknya bergantung pada interferensi kuantum. Hal ini terjadi ketika dua warna cahaya mengirim semikonduktor melalui jalur serapan berbeda yang pada akhirnya menghasilkan keadaan akhir yang sama. Cahaya mengirimkan energi ke materi dalam paket diskrit atau terkuantisasi yang disebut foton. Foton-foton ini kemudian memobilisasi pembawa muatan listrik semikonduktor.
Pada konfigurasi UM, material menyerap cahaya yang masuk melalui dua jalur sekaligus. Cundiff mengibaratkan proses tersebut seperti riak yang tumpang tindih. Untuk elektron yang bergerak dalam satu arah, riak-riaknya sejajar dan saling menguatkan. Untuk elektron yang bergerak ke arah lain, mereka saling menghilangkan.
Penguatan selektif ini menghasilkan arus yang terkonsentrasi pada arah tertentu daripada menyebar secara merata ke seluruh material.
Perangkat kuantum yang telah lama direncanakan menjadi kenyataan
JE Sipe dari Universitas Toronto, yang berkolaborasi dengan para peneliti pada proyek sebelumnya, memperkirakan bahwa “suar elektronik” semacam itu dapat tercipta. Gong akhirnya mengubah ide teoritis ini menjadi perangkat yang berfungsi dengan bantuan dari Fasilitas Nanofabrikasi Lurie.
“LNF adalah fasilitas yang luar biasa,” kata Gong, seraya menambahkan bahwa penggabungan material perangkat merupakan proses yang hati-hati tanpa menimbulkan medan listrik asing.
Mencegah medan listrik yang tidak diinginkan sangat penting karena para peneliti perlu memastikan bahwa aliran elektron seluruhnya berasal dari cahaya. Untuk memproduksi perangkat tersebut, Gong dan staf fasilitas harus bereksperimen dengan metode produksi yang berbeda.
“Ini adalah teka-teki terbesar yang harus saya pecahkan karena tidak ada cara standar untuk melakukan hal ini, jadi saya bekerja dengan tim LNF untuk bermain-main dengan resep dan suhu berbeda untuk mengembangkan proses produksi.”
Kai Wang, mantan peneliti pascadoktoral yang bekerja dengan Cundiff dan sekarang menjadi profesor elektronik dan informasi di Universitas Sun Yat-Sen di Tiongkok, juga memberi nasihat kepada Gong selama proyek tersebut.
Gong telah memperoleh gelar doktornya di UM dan sekarang bekerja di Chicago sebagai ilmuwan pembelajaran mesin. Dalam peran ini, ia menerapkan kemampuan kuantitatif dan analitis yang ia kembangkan selama penelitian fisika pada masalah pembelajaran mesin.
