无需电线，结构光重构电子电路

撰稿 | Z（清华大学，博士生）

随着现代信息集成技术和半导体加工技术的发展，人们已经可以在纳米尺度的半导体器件上构筑电路，从而实现特定的功能。

但是，这样构筑的电路一旦确定后就无法更改，只能在软件设计上面实现多种功能的转换，无法在硬件结构上实现重构，一定程度上限制了器件的功能多样性与复杂度。

这不由使得科学家思考这样一个问题：能否通过一定的外加条件来直接构筑电子电路，而不依赖传统的实体电线布局，这样我们就可以摆脱电极-电线固定结构对功能的限制。

如果能够直接利用一束光在半导体材料中直接激发电流，这似乎是个可行的方法。对于光生电，我们比较熟悉的是光电效应（拓展：名词解释）。

但是，对于集成电路里面的电流，我们不仅仅需要控制电流的强度，还需要控制电流的方向。传统的光电效应只能控制光电流的强弱，而光电流的方向控制还需要半导体结构来实现，这样的一个特性使得我们的器件上的电流控制还需要依赖材料具体的结构特性。

要想引入一个有方向性的电流，我们必须在整个光电系统中引入一个不对称性，也就是至少有一个物理量的存在使得电子能够定向运动。既然我们不想依赖材料结构的特性，那么可以在激发光源中来引入这样一个不对称度，而结构光 (拓展：名词解释），一种带有结构特性的光源，可以帮我们实现这个目的，这也是本文使用结构光来激发光电流的原因。

拓展阅读：《Nature Photonics: 结构光！》

来自加拿大渥太华大学的S. Sederberg等人就利用结构光的控制，实现了对半导体中光生电流强度和方向的双重控制，使得我们将有希望只利用光来构建一个电子电路。

相关成果以Reconfigurable electronic circuits for magnetic fields controlled by structured light 为题发表在 Nature Photonics。

他们具体的原理¹ 见图1，整体思路是：利用两束光来组成一个结构光，利用这两束光之间的相位差来控制最终激发出砷化镓(GaAs)半导体中光电流的强度和方向。

具体原理是：他们使用的两束光刚好一个是基频光(1480 nm波长，图1中红色光波)，一个是倍频光(740 nm波长，图1中蓝色光波)，基频光引起的双光子吸收(拓展：名词解释 )可以使得GaAs中价带的电子跃迁到导带上，倍频光则可以直接引起GaAs中的电子带间跃迁(拓展：名词解释 )。

图1：光控电流原理图

这两个路径虽然都是发生在价带和导带之间，但他们具体跃迁路径不一致，使得最终的电子在导带中的量子态由这两个路径的量子干涉²⁻⁴决定。也就是说，这两个跃迁过程的相位可以影响最终的跃迁结果，影响导带中电子的空间和动量分布。而动量分布表现出的宏观现象就是电子的方向性。

总的来说，就是基频光(1480 nm波长)和倍频光(740 nm波长)之间的相位差，可以影响GaAs中产生光电流的强度和方向，这也是本文的原理。

基于上述原理，他们构建了图2所示的光路图，其中的SLM器件为空间光调制器(拓展：名词解释)，是为了调制基频(w)和倍频(2w)之间的相位差。最后合成的光束里面便带有两束光的时间和空间信息，成为一束结构光，作用在GaAs上面，产生光电流。

图2：实验光路图

图3展示了一个简要原理示意图，可以看见，两束光合成的光作用在材料上面，由于附带有空间分布的相位差，因此在GaAs中产生的光电流也是有一个对应的空间分布。

图3：相位控制注入电流示意图

通过上述的实验，论文研究团队验证了可以利用结构光的控制来实现对产生光电流强度和方向的控制，因此就可以此为基本器件设计具有功能性的电路。如图4(A),所示，论文中展示了三种光可重构电路的模型，可以通过对结构光的空间相位调制，实现有选择的连通左边的电极和右边的三个电极，我们需要再次注意，这样的电流连通完全依靠光注入电流实现，而不依赖任何实体电线。

图4：部分实验结果图

更深一步的思考，既然结构光可以产生电流，而且还可以控制其方向，那么我们可以构建一个环形电流，从而来获得一个空间分布的静磁场，如图4(B)所示，即完全由光来构建一个空间分布的磁场，而不依赖任何电磁铁。

以上的结果说明，我们可以实现由光来注入电流，论文研究团队也基于此设计了相关器件。有以下几方面的应用：

1. 光可重构电路：无需诸多的电线布局，在减少结构复杂性的同时，也提高了器件的功能多样性；

2. 光注入静磁场：相比于传统的电磁铁而言，利用光来注入磁场，可以减小系统的复杂度，提高磁场产生速率，可用于超快磁化器件的设计；

3. 由于激发光是一个脉冲光，因此产生的静电流也是一个脉冲式电流，因此在本文的激发波长下，可以辐射出太赫兹频段的光波，这也为开发新的太赫兹源提供思路。

虽然有诸多优点，我们也要看到其中的不足：

首先，本文的光电流分辨率实验上还只是在微米级别，可以通过优化波长来继续提高分辨率；

其次，本文的方式所产生的磁场强度不够高，本文理论计算是在毫特斯拉量级，适用的磁性材料有限。

因此，对于这样一个新的思路，要到真正商业化还有一段技术路线需要完善。

论文信息：

Jana, K., Herperger, K.R., Kong, F. et al. Reconfigurable electronic circuits for magnetic fields controlled by structured light. Nat. Photon. (2021). 

论文地址:

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00832-9

编辑 | 赵阳

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