密歇根大学的研究人员开发了一种半导体设备，利用激光光线来指导电子的运动，而无需施加电场或电源。这一设备主要用于研究基础物理现象，并展示一种此前从未观察到的行为。然而，这一发现最终可能支持融合光学和电子技术的技术，包括先进的传感、成像和电信。它也可能导致更好的方式传输设备之间的信号，并在设备中编码更多信息。负责该项目的博士生龚易铭说：“我们在鲁里纳米加工设施制造的这个电气设备，有潜力转变为测量光的不同方面的工具。但这源于非常基础的物理水平，即不同光学吸收过程之间的干涉。” 两种光的颜色引导电子流 在美国国家科学基金会的联邦支持下，团队演示了两种不同颜色的光可以在半导体中产生有序的电子流。研究人员还可以通过旋转这两种光场的偏振来改变电流的方向，这描述了光波振动的方向。密歇根大学的物理学家史蒂文·坎迪夫表示：“这并不是正常的工作方式。当你想到电子通过材料移动时，它们是因为你施加了电场而移动，实际上在材料中反弹和漂移。在这里，利用光，你实际上可以在不施加电场的情况下将电子以特定方向喷射出来。”早期的研究已经表明，单靠光也可以引起电子移动。新实验更进一步，产生一束狭窄的电子流并控制其行进的精确方向。坎迪夫说：“光不再仅仅是开关电流，它还瞄准了电流。” 由电子组成的灯塔光束 坎迪夫将这种效应比作灯塔，灯塔的灯泡旋转时，会在地平线上扫过光束。然而，在这个实验中，移动的光束由电子组成。科学家可以通过调整两种相位相干光场的偏振来旋转电子束。该效应依赖于量子干涉。当两种光的颜色使半导体通过不同的吸收路径最终达到相同的最终状态时，就会发生这种现象。光通过被称为光子的离散或量子化的能量包传递给材料。这些光子随后激活半导体的电荷载体。在密歇根大学的设置中，材料同时通过两条路径吸收传入的光。坎迪夫将这一过程比作重叠的涟漪。对于朝一个方向运动的电子，涟漪会相互对齐并增强。对于向其他方向运动的电子，则会互相抵消。这种选择性增强产生了一种电流，集中在特定方向，而不是均匀地分布在材料中。 长期预测的量子设备成为现实 多伦多大学的J.E. Sipe曾与研究人员合作过一个早期项目，他预测这种“电子灯塔”可以被创造出来。龚易铭最终在鲁里纳米加工设施的帮助下将这一理论想法变为一个可工作的设备。龚说：“LNF是一个了不起的设施。”他补充说，将设备的材料以不引入任何外部电场的方式结合在一起是一个艰巨的过程。防止不必要的电场尤其重要，因为研究人员需要确认电子流完全来源于光。生产该设备要求龚和设施的工作人员尝试不同的制造方法。“对我来说，这是最大的难题，因为没有标准的方法。因此，我与LNF的工作人员合作，研究不同的配方和温度，以找到一种制造工艺。”曾与坎迪夫合作的前博士后科学家、现任中国中山大学电子与信息教授的王凯，也在项目中指导了龚。龚最近获得了密歇根大学的博士学位，现在在芝加哥担任机器学习科学家。在这个角色中，他应用在物理研究中发展起来的定量和分析能力来解决机器学习中的问题。