Energia

Corrente elétrica é guiada por luz girante

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/01/2018

O dispositivo inédito, capaz de pode mudar a direção de uma corrente sem o uso de uma tensão elétrica, foi fabricado com uma película fina de um material isolante topológico chamado seleneto de bismuto, depositado sobre um guia de ondas óptico feito de silício.[Imagem: Siyuan Luo et al. - 10.1038/s41467-017-02264-y]

Fotocorrente

Nas células solares e nos sensores das câmeras fotográficas, a luz gera uma corrente elétrica ao incidir sobre um material semicondutor. Para coletar essa corrente elétrica, chamada fotocorrente, é necessária uma tensão elétrica externa para forçar a corrente a fluir em apenas uma direção.

Siyuan Luo e seus colegas da Universidade de Minnesota, nos EUA, descobriram agora como controlar a direção da fotocorrente sem precisar da tensão elétrica - eles usaram apenas luz.

A corrente é direcionada pelo spin dos fótons, ou seja, pelo modo com que as partículas de luz estão girando - no sentido horário ou no sentido anti-horário. E a fotocorrente resultante também fica polarizada pelo spin, o que significa que há mais elétrons com rotação em uma direção do que na outra.

Isolantes topológicos

A criação deste dispositivo inédito foi possível graças a uma categoria de materiais conhecidos como isolantes topológicos. Neles, e diferente do que acontece nos semicondutores, os elétrons com spins iguais fluem sempre na mesma direção. Esse efeito é chamado de bloqueio de momento-spin - o spin dos elétrons é bloqueado na direção em que viajam.

Curiosamente, disparar um feixe de luz polarizada circularmente em um isolante topológico pode liberar elétrons do seu interior, que então fluem em sua superfície de forma seletiva - por exemplo, luz polarizada no sentido horário libera elétrons com spin para cima e, no sentido anti-horário, libera elétrons com spin para baixo.

Devido a este efeito, a fotocorrente gerada na superfície do material flui espontaneamente em uma direção, não dependendo da aplicação de uma tensão elétrica.

Aplicações práticas

Este novo dispositivo poderá ser usado na próxima geração da microeletrônica, a chamada spintrônica, que usa a rotação dos elétrons como a unidade fundamental de informação. Ele também poderá ser usado para comunicação óptica mais eficiente em data centers.

"O efeito observado é muito forte e robusto em nossos componentes, mesmo a temperatura ambiente e ao ar livre. Portanto, o dispositivo que demonstramos tem um grande potencial para ser implementado na próxima geração de sistemas de computação e comunicação," disse o pesquisador Mo Li.

"Nossa pesquisa une dois campos importantes da nanotecnologia: a spintrônica e a nanofotônica. [Nosso dispositivo] é totalmente integrado com um circuito fotônico de silício que pode ser fabricado em grande escala e vem sendo amplamente utilizado na comunicação óptica em centros de dados," acrescentou seu colega Li He.

Bibliografia:

Spin-momentum locked interaction between guided photons and surface electrons in topological insulators
Siyuan Luo, Li He, Mo Li
Nature Communications
Vol.: 8 (1)
DOI: 10.1038/s41467-017-02264-y

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