Eksitonit elektroniikan käyttöön

Sveitsiläisen EPFL:n tutkijat ovat kehittäneet transistorin, joka perustuu eksitoneihin, jotka toimivat huoneenlämmössä.

Läpimurto voisi johtaa uuden sukupolven nopeampaan, energiatehokkaampaan ja pienempään elektroniikkaan.

Eksitonit ovat kvasipartikkeleita, jotka koostuvat elektronista ja sen aukosta. Ne sitoutuvat yhteen kun elektroni absorboi fotonin ja saavuttaa korkeamman energiatason ja "virittynyt" elektroni jättää jälkeensä aukon edelliseen energiatasoon.

Koska elektroni on negatiivisesti ja aukko on positiivisesti varattu, nämä kaksi hiukkasta sitoutuvat toisiinsa sähköstaattisella voimalla. Kun elektroni lopulta putoaa aukkoon, se emittoi fotonin ja silloin eksitoni lakkaa olemasta.

EPFL:n sivuilla on hauska sarjakuvaesitys eksitonin olemuksesta.

Tätä ennen eksitonia voitiin manipuloida vain erittäin kylmissä olosuhteissa mutta nyt tutkijat käyttivät kahta 2D-materiaalia puolijohteina. Käytetyissä molybdeeni-disulfidissa (MoS2) ja wolframi-diseleenissä (WSe2) eksitoneilla on erityisen vahva sähköstaattinen sidos.

Lisäksi eksitonien elinikää saatiin pidennettyä hyödyntämällä tosiasiaa, että elektronit aina löytävät tiensä MoS2:een kun taas aukot päätyvät aina WSe2:een. Ja yhdessä kahden japanilaisen tutkijan kanssa tutkijat saivat eksitonien kestävän vieläkin pidempään suojelemalla puolijohdekerroksia boorinitridillä (BN).

Tutkijat kertovat luoneensa erikoistyyppisen eksitonin, jossa molemmat puolet ovat kauempana toisistaan kuin perinteisessä hiukkasessa. "Tämä viivästyttää prosessia, jossa elektroni palaa aukkoon ja fotoni syntyy. Kun eksitonit pysyvät dipolimuodossa hieman pidempään, niitä voidaan ohjata ja liikuttaa sähkökentän avulla.

Työllään tutkijat luovat lukuisia vaikutuksia eksitoniikan alalle, joka on yksi lupaavimmista uusista tutkimusalueista fotoniikan ja spintroniikan rinnalla.

Tämä läpimurto luo kehityskulun optoelektronisille laitteille, jotka kuluttavat vähemmän energiaa ja ovat sekä pienempiä että nopeampia kuin nykyiset laitteet. Lisäksi se mahdollistaa optisen siirtojärjestelmän ja sähköisen datankäsittelyjärjestelmän integroinnin samaan piirirakenteeseen mikä vähentää tarvittavien operaatioiden määrää ja tehostaa järjestelmien tehokkuutta.

Aiheesta aiemmin:

Kuvia eksitoni-polaritoneista