Электронные устройства теряют энергию в виде тепла из-за движения электронов. Однако прорыв в наноинженерии позволил создать новый тип переключателя, который соответствует характеристикам лучших традиционных конструкций, одновременно преодолевая пределы энергопотребления современной электроники.
Исследователи из Мичиганского университета достигли того, к чему учёные стремились долгое время: разработали электронику, использующую экситоны вместо электронов.
Экситоны — это пары электрона и соответствующей ему «дырки» (места, где отсутствует электрон), образующие нейтральную по заряду частицу.
Устройство с наноинженерной оптоэкситоникой (NEO) оснащено монослоем диселенида вольфрама (WSe₂) на конической наноструктуре из диоксида кремния (SiO₂). Переключатель достиг снижения потерь на 66 % по сравнению с традиционными переключателями, при этом превысив коэффициент включения-выключения в 19 дБ при комнатной температуре — показатель, который конкурирует с лучшими электронными переключателями, доступными на рынке.
Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.
Путь электронов через проводник не всегда бывает гладким.
Хотя проводящие материалы позволяют электронам проходить через них, они в некоторой степени сопротивляются их прохождению. Это сопротивление вызывает преобразование части энергии электронов в тепловую энергию. Именно это выделение энергии в виде тепла нагревает ноутбуки, смартфоны и другую бытовую электронику.
Поскольку экситоны не несут электрического заряда, они значительно снижают потери энергии и повышают эффективность. Однако учёным было трудно управлять экситонами из-за отсутствия у них заряда, что затрудняло их быстрое перемещение в контролируемом направлении и на расстояния, достаточные для практического применения, например, в переключателях.
Для устройства NEO исследователи использовали экситоны в монослое диселенида вольфрама (WSe₂) — материала с достаточно высокой энергией связи, чтобы сохранять стабильность экситонов даже при комнатной температуре. Затем слой WSe₂ был помещён на тщательно сконструированную наноструктуру из диоксида кремния (SiO₂) с конусными переходами.
Такая установка позволила исследователям преодолеть давние проблемы, обеспечив сильное взаимодействие между светом и тёмными экситонами (экситонами, которые не излучают свет), что привело к квантовому эффекту, способному перемещать всю популяцию экситонов дальше и быстрее — до 400 % больше, чем в популярных экситонных направляющих.
Взаимодействие экситон-свет также создало сильную оптоэкситонную силу, которая сформировала энергетический барьер, способный блокировать поток экситонов для выключения сигнала и обратного процесса при необходимости. Кроме того, устройство NEO контролировало направленность экситонов с помощью конической структуры наноструктуры, которая создаёт направленную силу, действующую как фотонный проводник, направляя экситоны по одному чётко определённому пути.
Исследователи отмечают, что их результаты демонстрируют, как индивидуальный структурный дизайн может улучшить и контролировать транспорт экситонов, прокладывая путь для создания устройств нового поколения, которые объединят электронику и фотонику.
© 2025 Science X Network