Nano-schakelaar bereikt de eerste gerichte, gated stroom excitons

Een nieuwe nanostructuur werkt als een draad en schakelaar die voor het eerst de stroom van kwantumquasipartikelen kan regelen en te sturen die excitons worden genoemd bij kamertemperatuur.

De transistorachtige schakelaar ontwikkeld door ingenieurs van de Universiteit van Michigan kan de informatieoverdracht versnellen of zelfs circuits mogelijk maken die op excitons worden uitgevoerd in plaats van elektriciteit-de weg van een nieuwe klasse apparaten.

Omdat ze geen elektrische lading hebben, hebben excitonen het potentieel om kwantuminformatie te verplaatsen zonder de verliezen die worden geleverd met het verplaatsen van elektrisch geladen deeltjes zoals elektronen. Deze verliezen drijven mobiele telefoons en computers aan om warmte te genereren tijdens het gebruik.

“Je ziet de grenzen van elektronica die nu worden bereikt met AI en andere veeleisende berekeningen die energie consumeren en warmte genereren als een gek. Als grote verwerkingscentra in plaats daarvan werden aangedreven door excitonics, zou je dit enorme energieverbruik niet meer hebben,” zei Mack Kira, co-correspondende auteur van de studie in ACS nanosupervisor van de theorie en professor elektrische en computertechniek.

Hoewel minder bekend dan elektronen, worden excitonen al vaak gebruikt voor energieconversie-op het werk in lichten, zonnecellen en meer.

“Onze mobiele telefoon toont werk met behulp van organische LED’s, die allemaal op excitonische gebaseerd zijn”, zegt Parag Deotare, co-correspondende auteur, supervisor van het experimentele werk en een universitair hoofddocent elektrische en computertechniek. “Planten zetten zelfs licht om in excitonen voor fotosynthese en transporteren vervolgens dat kwantumenergiepakket naar waar het nodig is voordat het in chemische energie wordt omgezet.”

Excitons vormen zich in halfgeleiders wanneer een energiebron een elektron opwindt, waardoor deze van de grondstaat naar een opgewonden toestand springt – zoals het opspringen van een sport van een ladder. Wanneer het elektron springt, laat het een positief geladen vacature achter of “gat” achter. Het negatief geladen elektron en positief geladen gat trekken elkaar aan en beweegt als een paar, samen vormen een netneutraal geladen exciton.

Hoewel de neutrale lading van een exciton het mogelijk maakt om zonder verliezen te bewegen, komt het met een nadeel: het is moeilijk om excitonen opzettelijk te verplaatsen. Negatief geladen elektronen zijn gemakkelijk te richten in een stroom omdat een positief geladen elektrode ze aantrekt, maar dat werkt niet voor neutrale deeltjes.

Om een ​​apparaat te creëren dat excitonen kon manipuleren, leunde het team op een aanpak die ze eerder hadden ontwikkeld, waardoor een energielandschap in de ruimte werd gecreëerd dat excitonen over een fysieke nok trekt – het exciton -equivalent van een draad. Een deel van de nieuwe ontwikkeling is het regelen van de stroom van excitonen met elektroden die aan weerszijden van de nok worden geplaatst die als een poort werken.

“Wanneer de elektroden worden ingeschakeld, creëert de spanning een energiebarrière die voorkomt dat de excitonen beweegt. Wanneer de spanning wordt uitgeschakeld, stromen de excitons opnieuw. Een schakelaar als deze is tot nu toe niet gedaan,” zei Zhaohan Jiang, Um Doctoral Student van Electrical and Computer Engineering en Lead Author of the Study.

Tijdens het testen vertoonde het apparaat een aan-off-schakelverhouding van meer dan 19 decibel, wat een groot genoeg verschil is om geavanceerde opto-elektronische toepassingen te ondersteunen, zoals hogesnelheidsgegevensoverdrachtslinks met hoge snelheid, gebruikt in geavanceerde supercomputers, datacenters, AI-compatibele smartphones en wearables, wearables, autonome voertuigen, digitale tweelingen en meer.

Het andere deel van de nieuwe aanpak is de manier waarop het licht gebruikt om de excitons een duw in de goede richting te geven, waardoor het apparaat een “optoexcitonische” schakelaar is. Naast het creëren van de excitonen door de elektronen te laten springen van energieniveaus, koppelt de lichte koppels met de excitonen en helpen ze ze langs de bergkam te drijven.

Samen transporteerden de nokstructuur en de lichte interactie met succes excitonen in een enkele richting tot 4 micrometer in minder dan een halve nanoseconde bij kamertemperatuur. Als volgende stap wil het team honderden excitonische schakelaars verbinden.

“Hoewel deze technologie een optoexcitonisch circuit zou kunnen worden naarmate het rijpt, zie ik het eerst de interface tussen fotonica en elektronica verbeteren die de verwerking en communicatie zal versnellen,” zei Deotare.

Een dergelijke vooruitgang kan van cruciaal belang zijn om te voldoen aan de snel toenemende vraag naar snelle gegevensoverdracht in datacenters en mogelijk AI- en machine learning-applicaties.

Het team heeft patentbescherming aangevraagd met behulp van UM Innovation Partnerships.