Het visualiseren van de elektronenstroom motiveert nieuwe apparaten op nanoschaal, geïnspireerd op vliegtuigvleugels

Een onderzoek dat laat zien hoe elektronen rond scherpe bochten stromen, zoals die gevonden worden in geïntegreerde schakelingen, heeft het potentieel om de manier te verbeteren waarop deze circuits, die vaak worden gebruikt in elektronische en opto-elektronische apparaten, zijn ontworpen.

Het is theoretisch al zo’n 80 jaar bekend dat wanneer elektronen door bochten reizen, ze de neiging hebben op te warmen omdat hun stroomlijnen plaatselijk worden platgedrukt. Tot nu toe had echter nog niemand de warmte gemeten, waarvoor eerst beeldvorming van de stromingslijnen nodig is.

Het onderzoeksteam, geleid door Nathaniel M. Gabor van de Universiteit van Californië, Riverside, bracht stroomlijnen van elektrische stroom in beeld door een ‘electrofoil’ te ontwerpen, een nieuw type apparaat dat de verdraaiing, compressie en expansie van stroomlijnen van elektrische stromen mogelijk maakt. op dezelfde manier verwringen, comprimeren en expanderen vliegtuigvleugels de luchtstroom.

“Elektrische lading beweegt op dezelfde manier als hoe lucht over het oppervlak van een vliegtuigvleugel stroomt”, zegt Gabor, hoogleraar natuurkunde en astronomie. “Hoewel het gemakkelijk is om de luchtstroom in beeld te brengen door bijvoorbeeld rook- of stoomstromen in een windtunnel te gebruiken, zoals vaak te zien is in autoreclames, is het veel moeilijker om de stroomlijnen van elektrische stromen in beeld te brengen.”

Gabor zei dat het team laserbeeldvorming combineerde met nieuwe lichtgevoelige apparaten om de eerste beelden te bedenken van fotostroomstroomlijnen door een werkend apparaat. Een fotostroom is een elektrische stroom die wordt geïnduceerd door de werking van licht.

“Als je weet hoe de elektronen stromen, kun je weten hoe je kunt voorkomen dat ze schadelijke effecten veroorzaken, zoals het opwarmen van het circuit”, zei Gabor. “Met onze techniek kun je nu precies beoordelen waar en hoe de elektronen stromen, wat ons een krachtig hulpmiddel geeft om de ladingsstroom in opto-elektronische apparaten te visualiseren, karakteriseren en meten.”

De onderzoekspapier is getiteld “Het in kaart brengen van de intrinsieke fotostroom stroomlijnt door micromagnetische heterostructuurapparaten” en verschijnt in de Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.

Gabor legde uit dat wanneer elektronen kinetische energie verkrijgen, ze opwarmen. Uiteindelijk verwarmen ze het materiaal om hen heen, zoals draden die kunnen smelten.

“Als je een hittepiek in je computer krijgt, beginnen je circuits te sterven”, zei hij. “Dit is de reden waarom onze computers worden uitgeschakeld als ze oververhit raken. Dit is om circuits te beschermen die beschadigd kunnen raken door alle warmte die in de metalen wordt afgevoerd.”

Het team van Gabor ontwierp de elektrofoils in het laboratorium als kleine vleugelvormen in apparaten op nanoschaal die de elektronen eromheen laten stromen, vergelijkbaar met hoe luchtmoleculen rond een vliegtuigvleugel stromen.

“We wilden een vorm die ons verschillende draaisnelheden kon geven, iets met een continue kromming”, zei Gabor.

“We lieten ons inspireren door vliegtuigvleugels, die een geleidelijke kromming hebben. We dwongen de stroom om rond de elektrofoil te stromen, die verschillende vlieghoeken biedt. Hoe scherper de hoek, hoe meer de compressie van de stroomlijnen. In steeds meer materialen “We beginnen te ontdekken dat elektronen zich als vloeistoffen gedragen. Dus in plaats van apparaten te ontwerpen op basis van bijvoorbeeld elektrische weerstand, kunnen we een aanpak kiezen met loodgieterswerk in gedachten en pijpleidingen ontwerpen waar elektronen doorheen kunnen stromen.”

In hun experimenten gebruikten Gabor en zijn collega’s een microscopiemethode die gebruik maakt van een uniform roterend magnetisch veld om fotostroomstroomlijnen in beeld te brengen door ultradunne apparaten gemaakt van een laag platina op yttrium-ijzer-granaat, of YIG. YIG is een isolator, maar zorgt voor een magnetisch veldeffect wanneer er een dunne laag platina op wordt geplakt.

“Het magnetische veldeffect treedt alleen op op het grensvlak van dit granaatkristal en platina”, zei Gabor. “Als je het magnetische veld kunt beheersen, beheers je de stroom.”

Om een ​​fotostroom in een gewenste richting te genereren, richtten de onderzoekers een laserstraal op YIG, waarbij de laser als lokale warmtebron diende. Een effect dat bekend staat als het “foto-Nernst-effect” genereert de fotostroom waarvan de richting wordt bepaald door het externe magnetische veld.

“Directe beeldvorming om fotostroomstroomlijnen in kwantum-opto-elektronische apparaten te volgen blijft een belangrijke uitdaging bij het begrijpen van het gedrag van exotische apparaten”, aldus Gabor. “Onze experimenten laten zien dat fotostroomstroomlijnmicroscopie een robuust nieuw experimenteel hulpmiddel is om een ​​fotostroom in kwantummaterialen te visualiseren. Dit hulpmiddel helpt ons te kijken hoe elektronen zich slecht gedragen.”

Gabor legde uit dat het algemeen bekend is dat elektronen zich onder specifieke omstandigheden op “rare manieren” gedragen, vooral in zeer kleine apparaten.

“Onze techniek kan nu worden gebruikt om ze beter te bestuderen”, zei hij. “Als ik een geïntegreerd circuit zou proberen te ontwerpen en zou willen weten waar de warmte daarin zou kunnen ontstaan, zou ik willen weten waar de stroomlijnen worden bekneld. Onze techniek kan helpen bij het ontwerpen van circuits en inschatten wat je moet vermijden en stelt voor dat je dit moet doen Zorg ervoor dat je draden geen scherpe bochten hebben. Draden moeten geleidelijk gebogen worden. Maar dat is op dit moment niet de stand van de techniek.’