Elektroner fanget på vei rundt svingen – Physics World

Elektroner fanget på vei rundt svingen – Physics World

Tidsstempel: 6. november 2023, kl

Grafer som viser den jevne flyten av fotostrømstrømlinjer rundt en mikroskopisk struktur formet som en flyvinge. Flere silhuetter av et fly som tar av er vist for sammenligning
Følg flyten: Grafer som viser den jevne strømmen av fotostrømstrømlinjer rundt en mikroskopisk struktur formet som en flyvinge. Denne elektrofolien (øverst til venstre) gjør det mulig å forvrenge, komprimere og utvide fotostrømstrømlinjer på samme måte som flyvinger (vist i silhuetter til høyre) forvrenger, komprimerer og utvider luftstrømmen. (Med tillatelse: UCR/QMO Lab)

Med inspirasjon fra luftstrømmen rundt flyvingene, har forskere i USA avbildet fotoeksiterte elektroner som strømmer rundt skarpe svinger for første gang. Fordi slike bøyninger ofte finnes i integrerte optoelektroniske kretser, kan observasjon av elektronenes "strømlinjer" føre til forbedringer i kretsdesign.

For mer enn 80 år siden viste fysikerne William Shockley og Simon Ramo teoretisk at når elektroner beveger seg rundt svinger, blir strømlinjene deres lokalt komprimert og produserer varme. Til nå har imidlertid ingen målt denne effekten direkte fordi det er så vanskelig å observere strømlinjene til elektronfotostrømmer – det vil si elektriske strømmer indusert av lys – gjennom en fungerende enhet.

I det nye verket, som er beskrevet i Proceedings of National Academy of Sciences, forskere ledet av fysikere Nathaniel Gabor og David Mayes av University of California, Riverside bygget en mikromagnetisk heterostrukturenhet laget av et lag av platina på et yttriumjerngranat (YIG) substrat og plasserte det i et roterende magnetfelt. Deretter rettet de en laserstråle mot YIG, noe som fikk enheten til å varme opp og utløse et fenomen kjent som foto-Nernst-effekten. Det er denne effekten som genererer fotostrømmen.

Observere det generelle mønsteret av strømlinjer

Ved å endre retningen på det eksterne magnetfeltet, "injiserer teamet strømmen på en slik måte at vi ikke bare kontrollerer kildeplasseringen, men også retningen," forklarer Mayes. Dessuten, legger han til, "viser det seg at når du måler den elektroniske responsen mens du gjør dette om og om igjen, ender du opp med å observere det generelle mønsteret av strømlinjer."

For å demonstrere kraften i teknikken deres, gjentok forskerne eksperimentene på en modifisert enhet kalt en elektrofolie som gjorde dem i stand til å forvride, komprimere og utvide fotostrømmen på samme måte som flyvingene forvrenger, komprimerer og utvider luftstrømmen. I begge scenariene representerer strømlinjene strømningsretningen som gir størst respons på hvert punkt, som forutsagt av Shockley og Ramos teorem.

"Tilbake på slutten av 1930-tallet innså disse to eminente fysikerne at en gratis ladning i en enhet ikke trenger å nå en elektrode for å indusere en elektrisk respons," forteller Mayes Fysikkens verden. "I stedet vil bevegelsen til de gratis ladningene påvirke alle andre ladninger i enheten på grunn av Coulomb-kraften.

"Shockley og Ramo var i stand til å vise at strømlinjene ikke bare illustrerer den "foretrukne" strømretningen for enheten, men at de også representerer mønsteret av strømflyt gjennom den som om vi ganske enkelt hadde forspent den ene enden av enheten og jordet annen."

Unngå hot spots

Gabor bemerker at det å kunne bestemme hvor strømningslinjer blir komprimert i en enhet kan hjelpe kretsdesignere med å unngå å lage slike lokale hot spots. "Resultatene fra vår studie tyder også på at du ikke bør ha skarpe bøyningsfunksjoner i den elektriske kretsen din," sier han, og legger til at gradvis buede ledninger "ikke er det nyeste akkurat nå".

Forskerne utforsker nå måter å øke oppløsningen på teknikken deres, samtidig som de tester nye enheter og materialer. Spesielt ønsker de å måle strømlinjer i enheter laget i geometrier som en "Tesla-ventil", som begrenser elektronstrømmen i én retning.

"Måleverktøyet vårt er en kraftig måte å visualisere og karakterisere optoelektroniske enheter for ladningsstrøm," sier Gabor. "Vi håper å fremme ideene våre mot nye fremvoksende materialer som inkluderer både magnetiske Nernst-lignende effekter og ukonvensjonell strømflytoppførsel."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden