电子灯塔：芯片里的电流，无需接上哪怕一节电池

电子灯塔：让电流流过芯片，不用接上任何电池

密歇根大学的物理学家让电流流过一小块半导体，却没有对它施加任何电压。没有电池，没有发电机，什么都没有。只有两束颜色不同的激光，在恰当的位置交叉。通过转动光的偏振，研究人员还让材料中的电流随之转向，就像灯塔的光束扫过黑夜一样。这篇论文于7月28日发表在Physical Review Letters上。

我先说清楚：这可没法给你的手机充电。但这个想法足够大胆，值得你花五分钟看看。

问题在于，电子不会自己跑到任何地方

所有电子设备都建立在一个相当粗糙的原理上。你想把电子从A点送到B点？就在两点之间施加电压，这会产生一个推动它们的电场。它很有效，一直以来都能工作，也和对着弹珠吹气让它们滚起来一样精细。

麻烦在于，这个电场会带着一堆附属品一起来。你需要电极、电源和电线。顺带一提，系统还会发热。因此，从20世纪90年代开始，理论学家就在寻找另一种办法：摆脱电压，直接让光来干活。

其中一位就是来自多伦多大学的John Sipe。他在理论上预言了这种效应。三十年后，一个团队在实验室里实现了它。

通往同一个地方的两条路

这个机制建立在量子干涉之上。一个粒子可以通过多条路径到达同一个状态。这些可能性随后会像两道波一样叠加：根据它们相遇的方式不同，它们会相互增强或抵消。

具体来说，我们同时用两种颜色照射材料。一个电子可以通过两种方式获得相同数量的能量：吸收一个波长为520纳米的绿光光子，或者吸收两个波长为1040纳米的红外光子。两种不同的相加方式，得到相同的总量。在量子尺度上，电子不会选择一条路径。两种可能性会共存并发生干涉。

一个绿光光子，或者两个红外光子。同一个目的地，而电子走了两条路。

事情从这里开始变得漂亮起来。对于朝着某个特定方向出发的电子，两条路径会相互增强。在其他方向，它们会相互抵消。电子不再向四面八方出发，而是更多地朝同一侧飞去。这样就产生了电流，却没有电压推动它们。

灯塔

接下来就是这个实验名称的由来。电流的方向取决于光的偏振，也就是光波振荡的方向。想象一根绳子，你让它上下摆动，而不是左右摆动。

这个装置包含两对相互垂直的电极，呈十字形放在材料周围。当研究人员将偏振转动90度时，一对电极上的电流消失，另一对电极上的电流重新出现。电子流在芯片中转过了四分之一圈，却没有任何部件移动。

你转动光，电流就换了出口。不需要折腾任何开关。

我很喜欢的一个细节是：电子以弹道状态运动。这意味着它们会一口气穿过材料，几乎不会发生碰撞，而不是像普通铜线中的电子那样缓慢地四散开来。这就像在空房间里跑步和在下午6点穿过地铁之间的区别。

装置，而且它还挺漂亮

所使用的材料不是硅，而是铝镓砷化物，准确地说是Al0.28Ga0.72As。它的带隙经过调节，正好对应合适的能量。这个带隙就是电子在能够参与导电之前必须跨越的能量差。激光脉冲持续时间约为85飞秒。一飞秒相当于一万亿分之一秒。在同样的尺度下，一秒大约会持续三千万年。

光源是一台掺铒锁模光纤激光器。换句话说，它的不同光模式经过同步，从而产生非常短的脉冲。团队还测试了一个更棘手的情况：两个1040纳米光子对上三个1560纳米光子。原理保持不变，但这个机制需要更多光子。于是它会把电子集中到更窄的方向范围内。灯塔的光束变得更加清晰。

左边是洒水器，右边是水枪。同样是水，瞄准可不是一回事。

有一个数字说明了所需的精度：电流会对几十纳米的光程变化产生反应。光程指的是光走过的距离，同时考虑它所穿过的介质。为了稳定这段路径，研究人员降低了激光器的频率噪声，也就是它那些微小的寄生波动，从几百千赫兹降到了大约1赫兹。说白了，你可不能在房间里打喷嚏。

另一个细节：电触点是欧姆接触，而不是肖特基接触。欧姆接触允许电流通过，不会制造一堵让电流只能朝一个方向通过的电障碍。肖特基接触则会形成这样的障碍，并可能产生寄生电场。测量期间不会施加任何电压。这一点不可或缺：哪怕最微弱的外部电场，都可能产生电流，让这场演示彻底泡汤。当你声称自己能无电压产生电流时，最好别在地毯底下藏着一个。

好吧，具体来说，这对你有什么改变？

这是个合理的问题。坦白回答：今年没有，明年也没有。这项研究还处在实验室里的测试台阶段。距离商店里出售的产品还远着呢。但有朝一日，它可能改变普通家庭里的三件事。

1. 你的网络盒子可能不用那么多转换

如今，光纤以光的形式传输你的视频、邮件和备份。但你的网络盒子、手机和电脑使用的是电。于是就需要一个组件把光转换成电流，有时还要反过来转换。每次转换都会花一点时间，消耗一些能量，并产生热量。

利用这个过程，光会产生电流，并直接赋予它一个方向。因此，转换和分流就能一步完成，而不是两步。在你的网络盒子里，这种差别可能根本看不出来。但那些让你的视频、邮件和备份运转起来的数据中心，会以极大的规模进行这些操作。它们还得排出产生的热量。这个过程最有可能在这里派上用场。

2. 能看到你眼睛看不到的东西的设备

这是最容易想象的用途，而且它已经部分存在了。这项研究利用的是偏振，也就是光的朝向。团队想制造一种能够直接读取这项信息的探测器。而你的眼睛和手机相机，都无法直接捕捉到它。

同一扇橱窗，同一个时间。右边，我们只是让光好好站直了。

对偏振敏感的传感器，即使面对玻璃或水坑的反光，也能看得更清楚。它还可以发现玻璃或塑料内部的应力。肉眼看不见这些应力，但它们可能预示着裂缝。传感器甚至能区分两个颜色明明相同的材料。工业相机已经在利用这项信息，在工厂出口检查包装或屏幕。当低斜角的阳光把道路变成镜子时，它也能帮助自动驾驶汽车。

这项研究可能让我们直接读取偏振，而不用在传感器前面一层层堆滤镜。在日常生活中，这有朝一日可能让你拍出一张橱窗照片，中间没有你脑袋的倒影。这不是什么生死攸关的事，但没人会想念你那个漂浮着的脑袋。

3. 无线操控小到没法布线的东西

第三种用途距离我们最远。通常，要控制电流，就得增加连接。组件越小，这些线就越占地方，也越容易产生热量。在这里，一束光可以远距离触发电流，不需要直接接触。这可能让我们能够控制那些太小而难以轻松布线的组件。

还没人知道这个想法会不会带来一种可用的产品。目前，它主要说明了无接触控制是可能的。这是一条研究路线，不是一份写着交付日期的承诺。

那什么时候能用上？

说实话，十年后，二十年后，或者永远不会。很多实验室里的发现最终都不会变成任何产品。这个发现完全可能落得同样的下场。

不过，激光提醒我们，一项没有明显用途的发现最终可能变得平平无奇。它在1960年出现时，没人真的知道该拿它做什么。人们把它描述成一个正在寻找问题的解决方案。如今，它读取你买的东西上的条形码，用来做眼科手术，还通过光纤把这篇文章传到你的屏幕上。这个在1960年被认为毫无用处的玩意儿，如今每天要参与你生活十来次。

所以，密歇根州某个实验室里的电子灯塔，看起来离你的厨房非常遥远。它也许会一直如此。激光的例子什么也证明不了，但它解释了为什么研究人员仍在研究那些用途尚未显现的想法。

就我个人而言，这里让我喜欢的是这种反转。我们花了五十年把电转换成光，再把光转换成电，每次都要借助一个中间环节来推动电荷。在这里，光不只是创造出可以移动的电子。它还告诉电子该往哪里去。这还算不上真正的组件。它主要证明了我们可以用另一种方式握住方向盘。

第一作者Yiming Gong已经完成博士论文，如今在芝加哥担任机器学习科学家。希望他的模型能像他的光子一样顺利收敛。本文的共同作者还有Kai Wang，他曾是该实验室的博士后研究员，如今是中山大学的教授，以及Steven Cundiff。想深入了解这个主题，Laser Focus World对光学装置的细节介绍比我好得多。ScienceDaily则提供了一份更短的摘要。