但是，這樣構(gòu)筑的電路一旦確定后就無(wú)法更改，只能在軟件設(shè)計(jì)上面實(shí)現(xiàn)多種功能的轉(zhuǎn)換，無(wú)法在硬件結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，一定程度上限制了器件的功能多樣性與復(fù)雜度。
這不由使得科學(xué)家思考這樣一個(gè)問(wèn)題：能否通過(guò)一定的外加條件來(lái)直接構(gòu)筑電子電路，而不依賴傳統(tǒng)的實(shí)體電線布局，這樣我們就可以擺脫電極-電線固定結(jié)構(gòu)對(duì)功能的限制。
如果能夠直接利用一束光在半導(dǎo)體材料中直接激發(fā)電流，這似乎是個(gè)可行的方法。對(duì)于光生電，我們比較熟悉的是光電效應(yīng)。
但是，對(duì)于集成電路里面的電流，我們不僅僅需要控制電流的強(qiáng)度，還需要控制電流的方向。傳統(tǒng)的光電效應(yīng)只能控制光電流的強(qiáng)弱，而光電流的方向控制還需要半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣的一個(gè)特性使得我們的器件上的電流控制還需要依賴材料具體的結(jié)構(gòu)特性。
要想引入一個(gè)有方向性的電流，我們必須在整個(gè)光電系統(tǒng)中引入一個(gè)不對(duì)稱性，也就是至少有一個(gè)物理量的存在使得電子能夠定向運(yùn)動(dòng)。既然我們不想依賴材料結(jié)構(gòu)的特性，那么可以在激發(fā)光源中來(lái)引入這樣一個(gè)不對(duì)稱度，而結(jié)構(gòu)光，一種帶有結(jié)構(gòu)特性的光源，可以幫我們實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，這也是本文使用結(jié)構(gòu)光來(lái)激發(fā)光電流的原因。
來(lái)自加拿大渥太華大學(xué)的S.Sederberg等人就利用結(jié)構(gòu)光的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體中光生電流強(qiáng)度和方向的雙重控制，使得我們將有希望只利用光來(lái)構(gòu)建一個(gè)電子電路。
相關(guān)成果以Reconfigurable electronic circuits for magnetic fields controlled by structured light為題發(fā)表在Nature Photonics。
他們具體的原理見圖1，整體思路是：利用兩束光來(lái)組成一個(gè)結(jié)構(gòu)光，利用這兩束光之間的相位差來(lái)控制最終激發(fā)出砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體中光電流的強(qiáng)度和方向。
具體原理是：他們使用的兩束光剛好一個(gè)是基頻光(1480nm波長(zhǎng)，圖1中紅色光波)，一個(gè)是倍頻光(740nm波長(zhǎng)，圖1中藍(lán)色光波)，基頻光引起的雙光子吸收(拓展：名詞解釋 )可以使得GaAs中價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶上，倍頻光則可以直接引起GaAs中的電子帶間躍遷。
圖1 光控電流原理圖(圖源：Nature Photonics)
這兩個(gè)路徑雖然都是發(fā)生在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間，但他們具體躍遷路徑不一致，使得最終的電子在導(dǎo)帶中的量子態(tài)由這兩個(gè)路徑的量子干涉 決定。也就是說(shuō)，這兩個(gè)躍遷過(guò)程的相位可以影響最終的躍遷結(jié)果，影響導(dǎo)帶中電子的空間和動(dòng)量分布。而動(dòng)量分布表現(xiàn)出的宏觀現(xiàn)象就是電子的方向性。
總的來(lái)說(shuō)，就是基頻光(1480nm波長(zhǎng))和倍頻光(740nm波長(zhǎng))之間的相位差，可以影響GaAs中產(chǎn)生光電流的強(qiáng)度和方向，這也是本文的原理。
基于上述原理，他們構(gòu)建了圖2所示的光路圖，其中的SLM器件為空間光調(diào)制器，是為了調(diào)制基頻(w)和倍頻(2w)之間的相位差。最后合成的光束里面便帶有兩束光的時(shí)間和空間信息，成為一束結(jié)構(gòu)光，作用在GaAs上面，產(chǎn)生光電流。
圖2 實(shí)驗(yàn)光路圖(圖源：Nature Photonics)
圖3展示了一個(gè)簡(jiǎn)要原理示意圖，可以看見，兩束光合成的光作用在材料上面，由于附帶有空間分布的相位差，因此在GaAs中產(chǎn)生的光電流也是有一個(gè)對(duì)應(yīng)的空間分布。
圖3 相位控制注入電流示意圖(圖源：Nature Photonics)
通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)，論文研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了可以利用結(jié)構(gòu)光的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生光電流強(qiáng)度和方向的控制，因此就可以此為基本器件設(shè)計(jì)具有功能性的電路。如圖4(A),所示，論文中展示了三種光可重構(gòu)電路的模型，可以通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)光的空間相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)有選擇的連通左邊的電極和右邊的三個(gè)電極，我們需要再次注意，這樣的電流連通完全依靠光注入電流實(shí)現(xiàn)，而不依賴任何實(shí)體電線。
圖4 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖(圖源：Nature Photonics)
更深一步的思考，既然結(jié)構(gòu)光可以產(chǎn)生電流，而且還可以控制其方向，那么我們可以構(gòu)建一個(gè)環(huán)形電流，從而來(lái)獲得一個(gè)空間分布的靜磁場(chǎng)，如圖4(B)所示，即完全由光來(lái)構(gòu)建一個(gè)空間分布的磁場(chǎng)，而不依賴任何電磁鐵。
以上的結(jié)果說(shuō)明，我們可以實(shí)現(xiàn)由光來(lái)注入電流，論文研究團(tuán)隊(duì)也基于此設(shè)計(jì)了相關(guān)器件。有以下幾方面的應(yīng)用：
1、光可重構(gòu)電路：無(wú)需諸多的電線布局，在減少結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的同時(shí)，也提高了器件的功能多樣性；
2、光注入靜磁場(chǎng)：相比于傳統(tǒng)的電磁鐵而言，利用光來(lái)注入磁場(chǎng)，可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高磁場(chǎng)產(chǎn)生速率，可用于超快磁化器件的設(shè)計(jì)；
3、由于激發(fā)光是一個(gè)脈沖光，因此產(chǎn)生的靜電流也是一個(gè)脈沖式電流，因此在本文的激發(fā)波長(zhǎng)下，可以輻射出太赫茲頻段的光波，這也為開發(fā)新的太赫茲源提供思路。
雖然結(jié)構(gòu)光重構(gòu)電子電路有諸多優(yōu)點(diǎn)，我們也要看到其中的不足：
首先，本文的光電流分辨率實(shí)驗(yàn)上還只是在微米級(jí)別，可以通過(guò)優(yōu)化波長(zhǎng)來(lái)繼續(xù)降低分辨率；其次，本文的方式所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度不夠高，本文理論計(jì)算是在毫特斯拉量級(jí)，適用的磁性材料有限。
因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)光重構(gòu)電子電路這樣一個(gè)新的思路，要到真正商業(yè)化還有一段技術(shù)路線需要完善。
