但是，這樣構(gòu)筑的電路一旦確定后就無法更改，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)家思考這樣一個問題：能否通過一定的外加條件來直接構(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，這似乎是個可行的方法。對于光生電，我們比較熟悉的是光電效應(yīng)。
但是，對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)來實(shí)現(xiàn)，這樣的一個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。
要想引入一個有方向性的電流，我們必須在整個光電系統(tǒng)中引入一個不對稱性，也就是至少有一個物理量的存在使得電子能夠定向運(yùn)動。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)光源中來引入這樣一個不對稱度，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)這個目的，這也是本文使用結(jié)構(gòu)光來激發(fā)光電流的原因。
來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構(gòu)建一個電子電路。
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：利用兩束光來組成一個結(jié)構(gòu)光，利用這兩束光之間的相位差來控制最終激發(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是基頻光(1480nm波長，圖1中紅色光波)，一個是倍頻光(740nm波長，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)
這兩個路徑雖然都是發(fā)生在價帶和導(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)由這兩個路徑的量子干涉 決定。也就是說，這兩個躍遷過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量分布。而動量分布表現(xiàn)出的宏觀現(xiàn)象就是電子的方向性。
總的來說，就是基頻光(1480nm波長)和倍頻光(740nm波長)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展示了一個簡要原理示意圖，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對應(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)光的控制來實(shí)現(xiàn)對產(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，可以通過對結(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)建一個環(huán)形電流，從而來獲得一個空間分布的靜磁場，如圖4(B)所示，即完全由光來構(gòu)建一個空間分布的磁場，而不依賴任何電磁鐵。
以上的結(jié)果說明，我們可以實(shí)現(xiàn)由光來注入電流，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：無需諸多的電線布局，在減少結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的同時，也提高了器件的功能多樣性；
2、光注入靜磁場：相比于傳統(tǒng)的電磁鐵而言，利用光來注入磁場，可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高磁場產(chǎn)生速率，可用于超快磁化器件的設(shè)計(jì)；
3、由于激發(fā)光是一個脈沖光，因此產(chǎn)生的靜電流也是一個脈沖式電流，因此在本文的激發(fā)波長下，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)上還只是在微米級別，可以通過優(yōu)化波長來繼續(xù)降低分辨率；其次，本文的方式所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度不夠高，本文理論計(jì)算是在毫特斯拉量級，適用的磁性材料有限。
因此，對于結(jié)構(gòu)光重構(gòu)電子電路這樣一個新的思路，要到真正商業(yè)化還有一段技術(shù)路線需要完善。
