Zvětšit obrázek

Telurid rtuti (HgTe). Chemicky jde o sloučeninu rtuti a teluru s vlastnostmi polovodiče. Vyskytuje se i v přírodě jako minerál koloradoit. Tmavé kovové inkluze v hornině pochází z dolu Bessie-G v Kolorádu (USA). (Kredit Shannon and sohn´s minerals)

Abstrakt (příliš odborné, možno přeskočit)
Krystalická binární (dvousložková) sloučenina řazená k chalkogenidům vykazuje na tenké vrstvě významný magneto-optický Faradayův efekt v terahertzovém rozsahu spektra.

Překlad do lidštiny

Zvětšit obrázek

Michael Faraday, syn kováře, později anglický fyzik, chemik a velký experimentátor. V roce 1845 objevil magnetické stáčení polarizační roviny (magneto-optický efekt - tzv. Faradayův efekt).

Podobně, jako když práskáte bičem se i světelné vlny mohou pohybovat v různých směrech – například se mohou  vlnit  nahoru a dolů, nebo jen zleva doprava. O takovém světle pak říkáme, že je polarizované. Fyzici na Vídeňské technické universitě se svými kolegy z Würzburgu přišli na způsob, jak polarizaci světla snadno ovlivnit. Dokázali to pomocí ultra tenké vrstvy polovodiče. Jde možná o průlomový poznatek, který otevře výpočetní technice zcela nové obzory s takzvanou optickou verzí elektronického tranzistoru. Výsledky experimentů zveřejnil časopis Physical Review Letters.

Proč tolik povyku kvůli něčemu co známe téměř dvě století?
Od roku 1845 se ví, že vlastnosti některých opticky prostupných látek lze magnetickým polem měnit. Přišlo se na to u boroolovnatého skla, které se používalo v dalekohledech. Když se takové sklo vložilo mezi póly elektromagnetu a nechalo se jím světlo procházet, vychylovalo se. Tento jev je dnes podle svého objevitele známý jako "Faradayův efekt." Nebo také „magnetooptický Faradayův jev“ či „Faradayova rotace“. Světlo lze tedy ovlivňovat silným magnetickým polem (polarizovat). Prochází-li látkou ve směru magnetického pole, lze vnějším polem stáčet jeho polarizační rovinu. Podrobněji se s tímto jevem lze seznámit například zde.  

Elektrotechniky zvedlo ze židle
prohlášení rakouského profesora Andreje Pimenova, který tvrdí, že dokáže manipulovat se světlem i za pokojové teploty a to pouze pomocí slabého elektromagnetického pole. Tajemstvím úspěchu je prý jednoduchá sloučenina. Přišel na ní se svým asistentem Alexejem Shuvaevem (Šuvajev) z Würzburgu, když experimentovali s látkou zvanou telurid. Nejde přitom o nic převratného, neboť v Ústavu pro fyziku tuhých látek ve Vídni i na jiných vědeckých pracovištích, se s touto látkou dělaly pokusy již v minulosti.

Zvětšit obrázek

Magnetickým polem lze na tenké vrstvě změnit charakter světelného paprsku. V okamžiku, kdy se změní polarizace, světlo neprojde přes polarizační filtr. (Kredit: Technische Universität Wien )

Úspěch vědcům přineslo  až použití extrémně čisté látky (HgTe), která se začala chovat jinak, než ta kontaminovaná. U čistého teluridu rtuti je účinek magnetického pole (Faradayův efekt) o dva řády vyšší, než jakého se dosud dosáhlo u zatím největšího přeborníka v tomto směru – sloučeniny india a antimonu. Její schopnost „zatočit se světlem“ (měrná stáčivost polarizační roviny charakterizovaná Verdetovou konstantou)  dosahuje 10⁴ radiánů/Tesla. Čistý telurid rtuti je nyní ale stokrát lepší, což umožňuje světelné vlny snadno natáčet pomocí relativně levného a dostupného materiálu. Směr polarizace může být laděn pomocí slabého vnějšího magnetického pole a ultra-tenké vrstvy, jejíž tloušťka je menší než jedna tisícina milimetru. Obdobné vrstvy z jiných materiálů dokázaly změnit směr polarizace pouze o zlomek jednoho stupně. Nyní to je 45 stupňů. Pokud se po průchodu tenkou vrstvou paprsku světla ještě  navíc postaví do cesty polarizační filtr, který je pootočen tak, aby světelný paprsek se změněnou polaritou nepropustil, dostáváme systém, který dovolí paprsku projít jen v okamžicích, kdy bude souhlasit jeho konkrétní směr polarizace. A právě to by se mohlo stát svatým grálem konstruktérů budoucí elektroniky – řízení toku světelného paprsku ovlivňováním jeho polarizaci.

Čím to je, že paprsek světla mění svou polarizaci?

Zvětšit obrázek

Andrei Pimenov (vpravo), Technische Universität Wien a Alexej Shuvaev, Universität Würzburg

Klíčem k pochopení chování světla v polovodiči je oscilace elektronů. Polovodič telurid rtuti je látka pro světlo propustná. Účinkem paprsků světla v něm elektrony oscilují, ale pokud na ně začneme působit magnetickým polem, vychýlíme jejich vibrační pohyb. Pohyb elektronů pak ovlivní paprsek světla a změní směr jeho polarizace.

Optický tranzistor
O vídeňském experimentu se začíná mluvit jako o prvním funkčním základu optického tranzistoru. Opticky aktivní látkou je v něm vrstvička teluridu, která se ozařuje světlem z infračervené oblasti spektra. To znamená, že jde o frekvenci v terahertzové oblasti o níž se již dávno uvažuje, že by byla pro počítače budoucnosti nejvhodnějším řešením. Otázkou již není zda, ale kdy se vědcům podaří zvládnout všechna úskalí optických tranzistorů. Již dnes je jisté, že jakmile k tomu dojde, nastane revoluce. Všude tam, kde jsme odkázáni na pomoc stávajících tranzistorů, se již pomalu blížíme hranicím daným jejich technickými možnostmi - limitními možnostmi pohybu elektronů. Optický tranzistor by ten klasický poslal do muzea podobně jako šinkanzen koněspřežku.  I kdyby z toho pro tentokrát převratný tranzistor ještě nebyl, zcela jistě se efektu snadné polarizace světla začne využívat v lékařských a měřících přístrojích.

Prameny:  A. Shuvaev, G. Astakhov, A. Pimenov, C. Brüne, H. Buhmann, L. Molenkamp. Giant Magneto-Optical Faraday Effect in HgTe Thin Films in the Terahertz Spectral Range. Physical Review Letters, 2011; 106 (10) DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.107404