Новая наноструктура действует как провод и переключатель, который впервые может контролировать и направлять поток квантовых квазичастиц, называемых экситонами, при комнатной температуре.
Разработанный инженерами Мичиганского университета транзистор-подобный переключатель может ускорить передачу информации или даже сделать возможными схемы, работающие на экситонах вместо электричества, открывая путь для нового класса устройств.
Поскольку у экситонов нет электрического заряда, они могут передавать квантовую информацию без потерь, связанных с перемещением электрически заряженных частиц, таких как электроны. Эти потери приводят к тому, что мобильные телефоны и компьютеры нагреваются во время использования.
«Вы можете видеть, что пределы электроники уже достигнуты: искусственный интеллект и другие ресурсоёмкие вычисления потребляют энергию и выделяют тепло с невероятной скоростью. Если бы крупные обрабатывающие центры работали на экситонике, у вас больше не было бы такого огромного энергопотребления», — сказал Мак Кира, соавтор исследования, опубликованного в ACS Nano, руководитель теоретических исследований и профессор электротехники и вычислительной техники.
Хотя экситоны менее известны, чем электроны, они уже широко используются для преобразования энергии — в освещении, солнечных батареях и не только.
«Наши дисплеи в мобильных телефонах работают с использованием органических светодиодов, которые основаны на экситонах», — сказал Парак Деотар, соавтор исследования, руководитель экспериментальной работы и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники. «Растения даже преобразуют свет в экситоны для фотосинтеза, затем транспортируют этот квантовый энергетический пакет туда, где он необходим, прежде чем преобразовать его в химическую энергию».
Экситоны образуются в полупроводниках, когда источник энергии возбуждает электрон, заставляя его перейти из основного состояния в возбуждённое — подобно прыжку вверх по ступеньке лестницы. Когда электрон прыгает, он оставляет после себя положительно заряженную вакансию, или «дырку». Отрицательно заряженный электрон и положительно заряженная дырка притягиваются друг к другу и движутся как пара, вместе образуя нейтрально заряженный экситон.
Хотя нейтральный заряд экситона позволяет ему двигаться без потерь, это сопряжено с недостатком: экситонами сложно управлять. Отрицательно заряженные электроны легко направить в ток, потому что положительно заряженный электрод притягивает их, но это не работает для нейтральных частиц.
Чтобы создать устройство, которое могло бы манипулировать экситонами, команда использовала подход, разработанный ими ранее, создав энергетический ландшафт в пространстве, который направляет экситоны вдоль физического гребня — экситонный эквивалент провода. Часть новой разработки — управление потоком экситонов с помощью электродов, расположенных по обе стороны от гребня, которые действуют как ворота.
«Когда электроды включены, напряжение создаёт энергетический барьер, который препятствует движению экситонов. Когда напряжение выключено, экситоны снова текут. Такого переключателя раньше не было», — сказал Чжаохан Цзян, докторант Мичиганского университета в области электротехники и вычислительной техники и ведущий автор исследования.
Во время тестирования устройство продемонстрировало коэффициент включения-выключения, превышающий 19 децибел, что достаточно для поддержки передовых оптоэлектронных приложений, таких как высокоскоростные каналы передачи данных на кристалле, используемые в передовых суперкомпьютерах, центрах обработки данных, смартфонах и носимых устройствах с поддержкой искусственного интеллекта, автономных транспортных средствах, цифровых двойниках и многом другом.
Другая часть нового подхода заключается в том, как он использует свет, чтобы подтолкнуть экситоны в нужном направлении, делая устройство «оптоэкситонным» переключателем. Помимо создания экситонов, заставляя электроны переходить на более высокие энергетические уровни, свет взаимодействует с экситонами и помогает перемещать их вдоль гребня.
Вместе структура гребня и взаимодействие со светом успешно транспортируют экситоны в одном направлении на расстояние до 4 микрометров менее чем за половину наносекунды при комнатной температуре. На следующем этапе команда стремится соединить сотни экситонных переключателей.
«Хотя эта технология может стать оптоэкситонной схемой по мере своего развития, я вижу, что сначала она улучшит интерфейс между фотоникой и электроникой, что ускорит обработку и связь», — сказал Деотар.
Такое достижение может стать ключом к удовлетворению быстрорастущего спроса на высокоскоростную передачу данных в центрах обработки данных и, возможно, в приложениях искусственного интеллекта и машинного обучения.