Учёные из Чикагского университета и Университета штата Пенсильвания неожиданно для себя открыли новый способ использования света для создания квантовомеханических цепей в топологических изоляторах. Электронные микросхемы оказалось возможным «рисовать» и «стирать» при помощи света. К открытию привела случайность: флуоресцентные лампы в лаборатории испускали ультрафиолет с определённой длиной волны. Это вызывало изменения электрических свойств топологического изолятора, мешавшие работе с ним.
Топологические изоляторы обладают уникальными свойствами, которые, как полагают специалисты, будут востребованы при разработке квантовых компьютеров и компьютеров на базе спиновой электроники. Тем не менее, изготовление даже самые простых схем из этих материалов оказалось затруднено, так как традиционные методы полупроводниковой инженерии, как правило, разрушают их хрупкие квантовые свойства. Даже кратковременное воздействие воздуха может снизить качество таких материалов.
Исследователи из группы Дэвида Авшалома (David Awschalom) сообщили об открытии оптического эффекта, который позволяет «настраивать» энергию электронов в топологических изоляторах при помощи света, без физического контакта с самим материалом. Они использовали этот эффект для рисования и стирания p-n-переходов — впервые для топологических изоляторов.
Как и в случае многих других достижений в науке, путь к этому открытию имел нетривиальный поворот.
«По правде говоря, мы пытались изучить что-то совершенно иное, — сказал Эндрю Йейтс (Andrew Yeats), аспирант Чикагского университета и ведущий автор научной работы. — В наших измерениях наблюдался медленный дрейф, который нам удалось связать с конкретным типом света от флуоресцентных ламп нашей лаборатории. Изначально мы были рады избавиться от него, а потом нас осенило: наши лампы делали то, что многие давно и упорно добивались от этих материалов».
Исследователи обнаружили изменение свойств тонкой плёнки (Bi,Sb)2Te3, размещённой на субстрате из титаната стронция. При облучении плёнки светом меняется химический потенциал материала, из которого она состоит. Это происходит, если энергия кванта света превышает размер энергетической щели материала субстрата. И как выяснилось впоследствии, лампы в лаборатории, где проходили опыты, имеют в своём спектре нужную длину волны.
В результате облучения ультрафиолетом меняются электронные свойства топологического изолятора, что позволяет создавать затворы для электрического тока и, в конечном итоге, формировать микросхемы.
Получившиеся полупроводниковые элементы сохраняются длительное время после прекращения воздействия света. Исследователи обнаружили также, что воздействие красного света приводит к противоположному результату: химический потенциал снижается, возвращая материал в исходное состояние.
Чтобы лучше понять физику эффекта, исследователи провели ряд контрольных экспериментов. Они показали, что оптический эффект не уникален для топологических изоляторов. Он может действовать на другие материалы, растущие на титанате стронция.
«В некотором смысле, самый впечатляющий аспект данной работы заключается в том, что её результат применим для широкого спектра наноразмерных материалов, таких как сложные оксиды, графен и дихалькогениды переходных металлов, — сообщил Авшалом. — Дело не только в том, что это быстрее и проще. Этот эффект делает возможным электрическую настройку материалов в широком диапазоне оптических, магнитных и спектроскопических экспериментов, где электрические контакты крайне сложны или просто невозможны».
