该装置最初旨在研究基础物理并展示一种此前从未被观察到的行为。然而，这一发现最终可能支持结合光学与电子学的技术，包括先进传感、成像和电信。它还可能带来在设备间传输信号以及在信号中编码更多信息的更佳方法。
“我们在Lurie纳米加工设施制造的这种电子器件具有转化为测量光不同特性的仪器的潜力，”密歇根大学物理系博士生Yiming Gong说道，他曾协助领导该项目。“但这源于非常基础的物理层面，即不同光学吸收过程之间的干涉。”
两种颜色的光引导电子流
在美国国家科学基金会的联邦资助下，该团队证明了两种不同颜色的光可以在半导体中产生有序的电子流。研究人员还可以通过旋转两个光场的偏振来改变该电流的方向，偏振描述了光波振荡的方向。
“通常情况并非如此运作。当你思考电子在材料中运动时，它们的移动是因为你施加了电场，它们实际上是在材料中四处弹跳并漂移。而在这种情况下，利用光，你实际上可以在不施加电场的情况下，将电子‘喷射’到特定的方向，”密歇根大学物理学家Steven Cundiff说道，他是该团队发表在《物理评论快报》期刊上新报告的资深作者。
早期的研究已经表明，仅凭光就能引起电子移动。这项新实验更进一步，产生了一束狭窄的电子流，并控制了其传输的精确方向。
“光不再仅仅是开启电流，它还能引导电流的方向，”Cundiff说。
由电子构成的灯塔光束
Cundiff将这种效应比作一座灯塔，随着灯塔灯体的旋转，光束扫过地平线。然而，在这个实验中，移动的光束由电子构成。科学家可以通过调节两个相位相干光场的偏振来旋转该电子束。
该效应依赖于量子干涉。当两种颜色的光使半导体经历不同的吸收路径，并最终达到相同的终态时，干涉便会发生。光以离散的、即量子化的能量包（称为光子）形式向材料传递能量。这些光子随后激发半导体的电荷载流子。
在密歇根大学的实验装置中，材料同时通过两条路径吸收入射光。Cundiff将这一过程比作重叠的涟漪。对于沿某一方向运动的电子，涟漪对齐并相互增强；而对于沿其他方向运动的电子，涟漪则相互抵消。
这种选择性增强产生了一股集中于特定方向的电流，而非均匀扩散在整个材料中。
长期预言的量子器件成为现实
多伦多大学的J.E. Sipe曾在一个早期项目中与研究人员合作，他预言这种“电子灯塔”是可以被制造出来的。Gong最终在Lurie纳米加工设施的帮助下，将这一理论构想变成了可工作的器件。
“LNF是一个令人惊叹的设施，”Gong说道，并补充道，将器件材料融合在一起且不引入任何外来电场是一个极其费力的过程。
防止不需要的电场尤为重要，因为研究人员需要确认电子流完全源于光。制造该器件需要Gong与该设施的工作人员尝试不同的制造工艺。
“对我来说，这是最大的难题，因为没有标准的方法可以遵循。因此我与LNF的工作人员合作，尝试不同的配方和温度，最终摸索出了一套制造工艺。”
Kai Wang曾在Cundiff指导下从事博士后研究，现任中国中山大学电子与信息学院教授，他在该项目期间也为Gong提供了指导。
Gong此后获得了密歇根大学的博士学位，目前在芝加哥担任机器学习科学家。在这一职位上，他将物理学研究中培养的定量和分析能力应用于机器学习问题。