Nature Photonics | 结构光控制磁场的可重构电子电路?

论文导读

     传统半导体电子电路中的电流由金属电极表面的电场来控制，电流的方向由空间中导线或电极在那一点上的方向预先决定；它存在两个明显缺点：其一，电路一旦被制造，其电流模式便不可更改；其二，电互连的电容和损耗致使电流的操纵速率较慢。加拿大国家研究委员会与渥太华大学联合的阿秒科学实验室于6月21日在Nature Photonics期刊上发表一篇标题为Reconfigurable electronic circuits for magnetic fields controlled by structured light的论文，介绍了使用结构光在半导体中快速（飞秒量级）产生电流的新技术。通过使用空间光调制器操纵光束的波前，实现了对数百微米级电流元素的可编程控制，该技术所产生的电流不依赖任何金属电极及其偏置电场；进一步，利用激发电流模式极大的灵活性，此项技术被证明还可用于空间定制磁场和磁场晶格的动态光电互连电路。

研究背景

      对流经半导体的电流的空间和时间控制构成了现代电子信息处理的基础。在金属-氧化物-半导体电路中，电流控制来自于局限于固定金属表面的电场。最先进的光刻技术能够在纳米尺度上实现电子的三维路径，但是每个局部漂移电流元素的方向是由空间中导线或电极在那一点上的方向预先决定的。此外，归因于传统电互连的电容和损耗，电流的最高操纵速率被限制到千兆赫量级。电子跃迁中的量子干涉、光导开关、光伏效应、位移电流或强场光激发等过程也能在半导体中激发电流，可使光电控制速率突破到太赫兹量级。利用可见-中红外光对半导体中的电子跃迁进行量子干涉，是一种概念简单但功能强大的电流控制方法。当半导体被光脉冲照射时，晶体从价带到导带的动量依赖型跃迁速率与电子带结构和时变电场激发有关。双色或宽带光可以在一定的晶体动量下引入两个或多个平行的跃迁路径，使量子干涉成为可能，这是一种相干控制形式。现代光学技术在光的空间、矢量和时间特性方面提供了巨大的灵活性。传统相干控制的一个自然延伸是将空间结构的激光模式应用到半导体上，以控制激励电流的空间排列。因此，本文探索了一个诱人的技术问题：电子元件甚至整个电路是否可以通过光激发动态地引入半导体，使其独立于光刻定义的结构。这种灵活性将使外部操作或优化电路功能成为可能，并可以缓解长期存在的技术挑战（如传统线路较长的充电时间）。

技术突破

      用两个频率的光（ω，2ω）分别激发低温砷化镓的直接电子跃迁和双光子跃迁，产生量子干涉，从而形成电流。电流密度的大小和符号由两个光波的相对相位来决定。当量子干涉被至少一束圆偏振光驱动时，注入电流的全方向控制出现。圆偏振电场可以等效地用它的x和y电场分量表示。x和y电场分量在空间和时间上的正交性提供了一种概念上简单的方法来控制最终电流方向，且x和y电场分量幅度控制最终的电流幅度。

      具体实验过程如图1，用1480 nm的激光束及其740 nm的二次谐波向低温砷化镓的导带注入电流。低温砷化镓的带隙能量为1.44 eV，因此直接跃迁由2ω束激发，双光子跃迁由ω束驱动。在辐照半导体之前，ω和2ω脉冲被分成不同的光路。两束光波的相对相位来自于两方面贡献：一是由压电控制光延迟定义的“全局相对相位”，该延迟控制两个脉冲的时间重叠，并在它们之间设置一个恒定的相位偏移；二是2ω束经一个空间光调制器反射引入的“像素化相对相位” （为了实现可编程控制）。最终，组合相对相位的每个像素可实现电流元素的独立相干控制。此外，ω束通过四分之一波片获得圆偏振，与2ω束共线结合后，“像素化相对相位”被数倍放大，并被成像到低温砷化镓探测器平面上。本文将这种控制扩展到像素阵列，在“像素化相对相位”中引入了类似于传统电子电路的线状特征，如图2所示。设想在左手边有一个不存在的单一电极，它可以连接到右手边的三个电极中的一个，激发的电流模式充当不同电极对之间的“光电互连”，控制着不存在的底层电子电路的功能。通过将适当像素中的“像素化相对相位”分别设置为0、π、3π/2或π/2，可以实现+x、?x、+y或?y方向的电流路由。进一步，如图3，可重新配置空间光调制器所定义的相位，使其绕着一个环形回路驱动电流，在其中心快速激发一个纵向磁场，并可进一步引入轨道角动量定制各式各样的磁场。

      图1中，(a)实验结构示意图：两束激光束共线照射到低温砷化镓光电探测器上；第一束是以1480 nm为中心的圆偏振光束，第二束740 nm线偏振光束从空间光调制器(SLM)反射，其中“像素化相对相位”被印在波前。(b)圆偏振ω光束、线偏振2ω光束及其波前之间的相对相位的艺术呈现；当入射到半导体上时，ω和2ω脉冲之间的延迟将相对相位控制在SLM的每个像素上，确定半导体中产生电流元素的方向。(c)测量一个像素中的x和y电流分量作为“全局相对相位”的函数，它在一个光学周期内的数据的参数图对应到(d)。

      图2中，(a-c)三个光电电路的原理图，它们可以被单独或同时激发，导致电流在不同的虚拟电极对之间“接触”到一个不存在的集成电路。(d-f)用于控制光电互连电路中电流方向的SLM相位图。(g-i)当分别应用(d-f)中的SLM模式时所产生的电流矢量排列。

      图3中，(a, d, g, j)所示的SLM相位图分别用于驱动(b, e, h, k)所示的电流矢量排列。(c, f, i, l)表示用延迟电位计算电流激发后200 fs瞬间的z向磁场排列，与(b, e, h, k)中电流对应。

观点评述

      半导体制造技术也被用于定义光学显示器，其中选择的活性材料允许电场完全控制发射光的振幅、相位和偏振。光学显示技术也已被应用于光通信激光束的空间调制，使经典或量子信息可以在其模式上进行。本文利用半导体技术和光学显示技术的这些特点，创造性地将编码到光束波前的信息转换为半导体中的电流排列，通过控制双色场的一个分量的相位和偏振，自由确定电流方向。此外，与给电信号带来损耗和延迟的金属导体不同，这些电流可以在飞秒激光脉冲的时间范围内打开，电流同时被引入整个电路。由于电路的最终空间分辨率是由光波衍射极限决定的，本文所报道的技术也具有开发高密度光学定义电路的潜力。

      另一方面，尽管电磁体在科学技术上具有重要意义，但利用传统电磁体控制微米空间尺度和飞秒时间尺度的磁场仍然具有挑战性。本文对半导体电流的空间和时间特性的灵活控制使磁场的精确时空结构成为可能。光同步的亚皮秒磁场脉冲的可用性提供了将时变磁场应用于仪器、材料或设备的可能性，并使自然界中超快磁场诱导的动力学可视化。同时，这些磁场的空间排列也可以在接近光波衍射极限的维度上得到控制和优化。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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