Team ontwikkelt ’s werelds kleinste en snelste nano-excitonische transistor

Hoe kan Marvel-filmpersonage Ant-Man zo’n sterke energie uit zijn kleine lichaam halen? Het geheim schuilt in de transistors op zijn pak die zwakke signalen versterken voor verwerking. Transistors die elektrische signalen op de conventionele manier versterken, verliezen warmte-energie en beperken de snelheid van signaaloverdracht, wat de prestaties verslechtert. Wat als het mogelijk zou zijn om dergelijke beperkingen te overwinnen en een krachtig pak te maken dat licht en klein is, maar zonder verlies van warmte-energie?

Een POSTECH-team van professor Kyoung-Duck Park en Yeonjeong Koo van de afdeling natuurkunde en een team van de ITMO-universiteit in Rusland onder leiding van professor Vasily Kravtsov hebben gezamenlijk een nano-excitonische transistor ontwikkeld met behulp van intralaag- en tussenlaag-excitonen in op heterostructuur gebaseerde halfgeleiders, die zich richt op de beperkingen van bestaande transistoren. Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

Excitonen zijn verantwoordelijk voor de lichtemissie van halfgeleidermaterialen en zijn de sleutel tot de ontwikkeling van een lichtgevend element van de volgende generatie met minder warmteontwikkeling en een lichtbron voor kwantuminformatietechnologie dankzij de vrije conversie tussen licht en materiaal in hun elektrisch neutrale toestand.

Er zijn twee soorten excitonen in een halfgeleider heterodubbellaag, die een stapel is van twee verschillende halfgeleider monolagen: de intralaag excitonen met horizontale richting en de tussenlaag excitonen met verticale richting.

Optische signalen die door de twee excitonen worden uitgezonden, hebben verschillende lichten, duur en coherentietijden. Dit betekent dat selectieve besturing van de twee optische signalen de ontwikkeling van een twee-bits excitontransistor mogelijk zou kunnen maken. Het was echter een uitdaging om intra- en tussenlaag-excitonen in nanoschaalruimten te beheersen vanwege de niet-homogeniteit van halfgeleiderheterostructuren en lage lichtopbrengst van tussenlaag-excitonen naast de diffractielimiet van licht.

Het team had in zijn eerdere onderzoek technologie voorgesteld voor het beheersen van excitonen in ruimtes op nanoniveau door halfgeleidermaterialen met een punt op nanoschaal in te drukken. Deze keer konden de onderzoekers voor de allereerste keer ooit de dichtheid en luminantie-efficiëntie van excitonen op afstand regelen op basis van gepolariseerd licht op de punt zonder de excitonen rechtstreeks aan te raken. Het belangrijkste voordeel van deze methode, die een fotonische nanoholte en een ruimtelijke lichtmodulator combineert, is dat het excitonen omkeerbaar kan regelen, waardoor fysieke schade aan het halfgeleidermateriaal wordt geminimaliseerd. Ook kan een nano-excitonische transistor die gebruik maakt van licht helpen bij het verwerken van enorme hoeveelheden gegevens met de snelheid van het licht, terwijl warmte-energieverlies tot een minimum wordt beperkt.

Kunstmatige intelligentie (AI) is sneller dan we ooit hadden verwacht in ons leven doorgedrongen en er zijn enorme hoeveelheden gegevens voor nodig om goede antwoorden te geven die echt nuttig zijn voor gebruikers. De steeds groter wordende hoeveelheid informatie moet worden verzameld en verwerkt, aangezien steeds meer velden AI gebruiken. Dit onderzoek zal naar verwachting een nieuwe dataverwerkingsstrategie voorstellen die past in een tijdperk van data-explosie. Yeonjeong Koo, een van de co-eerste auteurs van het onderzoekspaper, zei: “De nano-excitonische transistor zal naar verwachting een integrale rol spelen bij het realiseren van een optische computer, die zal helpen bij het verwerken van de enorme hoeveelheden gegevens die worden aangestuurd door AI-technologie. ”