Свет, который рождает ток из ничего экспресс
Обычный лист чёрного фосфора похож на слоёный пирог из атомов. Если посветить на него обычной лампой, ничего особенного не произойдёт: электроны в нём сидят ровно, как зрители в тёмном зале. Но короткая вспышка лазера, длящаяся миллионные доли миллиардной секунды, встряхивает этот зал. Свет, поляризованный вдоль «кресла» — так называют одно из направлений в кристалле, — на мгновение сдвигает электронные облака. Заряды начинают течь в одну сторону, хотя магнита рядом нет и сам материал симметричен.
Этот эффект называют нелинейным эффектом Холла. Обычный эффект Холла знаком по датчикам в автомобилях и телефонах: там ток отклоняется магнитом. Нелинейный вариант работает иначе — ему не нужен магнит, но раньше требовался кристалл без центра симметрии, как у поваренной соли. Чёрный фосфор симметричен, и в покое эффекта не даёт. Однако вспышка света длиной в 300 фемтосекунд (это как если бы одна секунда растянулась на сто миллионов лет) ломает симметрию на лету. Электроны успевают разогнаться и создать измеримое напряжение.
Авторы работы подсветили чёрный фосфор лазерными импульсами и смотрели, куда и как быстро движутся электроны, с помощью установки, которая выбивает их из материала и ловит на детекторе. Оказалось, ток возникает только когда поляризация света совпадает с осью «кресла». Повернули свет — эффект пропал. Это значит, что материалом можно управлять как выключателем: один импульс — ток есть, другой — нет.
Практическая польза — в скорости. Обычные полупроводниковые ключи срабатывают за наносекунды, а здесь переключение занимает фемтосекунды, то есть в миллион раз быстрее. Такие устройства пригодятся для сверхбыстрой электроники, детекторов одиночных фотонов и, возможно, для преобразования света в ток в солнечных элементах нового типа. Кристалл чёрного фосфора остаётся при этом холодным и не разрушается — свет работает как невидимая рука, которая на миг переставляет электроны, а потом отпускает.
Чёрный фосфор можно получить из обычного белого фосфора, нагрев его под давлением. Получаются слоистые кристаллы, которые отслаиваются скотчем — как графит для графена.
В романе Артура Кларка «Свет иных дней» световые импульсы управляют потоками частиц, чтобы видеть сквозь стены. Здесь свет управляет током в кристалле — шаг к той же гибкой электронике.