Pistetään eksitonit surffailemaan

Tämä sirupiiri voi siirtää eksitoneja akustisilla aalloilla. Saavutus tasoittaa tietä tehokkaiden laitteiden rakentamiselle, jotka käyttävät eksitoneja tietoliikenteen ja tiedonkäsittelyn sekä tunnistus- ja energiamuunnossovelluksiin.

Michiganin yliopiston johtama tutkimus on osoittanut, että puolijohteisiin muodostuvaa kvasihiukkasta voidaan siirtää nyt huoneenlämmössä.

Nykypäivän elektroniikkalaitteet hyödyntävät elektroneja sekä energian että tiedon siirtämiseen, mutta noin puolet energiasta menee hukkaan resistanssihäviöinä. Eksitonit ovat yksi mahdollinen vaihtoehto sillä ne välttyvät näiltä perinteisiltä häviöiltä.

Sähkötekniikan tietotekniikan apulaisprofessori Parag Deotare toteaa, että "transistorit voisivat toimia nopeammin, jos liikalämpö voidaan poistaa nopeasti. Jos vähennät tiedonsiirron energiahäviöitä, käsittelynopeuskin kasvaa automaattisesti. Eksitonien käyttö voi siten teoriassa vähentää näitä häviöitä merkittävästi."

Eksitoni on negatiivisesti varautunut elektroni ja positiivisesti varautunut aukko, jotka takertuvat yhdeksi hiukkaseksi. Mutta koska ne ovat varausneutraaleja, eksitoneja ei voi siirtää sähköpotentiaalieroilla kuten elektronja.

Deotaren ja hänen tiiminsä, mukaan lukien Japanin National Institute for Materials Sciencen yhteistyökumppanit, osoittama korjaus on materiaalin läpi kulkevat akustiset aallot. He osoittivat, että eksitonit voivat "surffata" näillä aalloilla puolijohdesirulla paikasta toiseen. Deotare ehdottaa, että eksitonien ohjaaminen tällä tavalla voisi mahdollistaa tiedonsiirron ja mahdollisesti johtaen jopa transistorin korvaamiseen.

"Kyky ohjata eksitoneja tasoittaa tietä jännittäville tulevaisuuden sovelluksille, jotka sisältävät tehokkaan energian muuntamisen, mittauksen, havaitsemisen ja huoneenlämpötilan, eksitonisen tiedonkäsittelyn ja viestinnän", sanoi Kanak Datta, sähkö- ja tietokonetekniikan tohtoriopiskelija.

Aurinkokennoissa eksitonit siirretään pois suhteellisen paksusta puolijohdekerroksesta, joka absorboi fotoneja ja muuttaa ne eksitoneiksi. Jos eksitonit voidaan siirtää ohueen kerrokseen ennen elektronien ja aukkojen erottumista, energia voitaisiin muuntaa tehokkaammin sähköksi. Samoin ledeissä liikkuvat eksitonit voisivat vähentää ledin elektrodeissa häviävän valon määrää siirtämällä eksitonit alueelle, jossa niiden kuuluunkin tuottaa fotoneja.

"Menetelmämme tarjoaa viritettävyyden ja joustavuuden suunnitella eksitonien kuljetusta tiettyihin sovelluksiin sekä valmistettavan suunnitelman", sanoo, soveltavan fysiikan tohtoriopiskelija Zhengyang Lyu.

Viime aikoihin asti eksitonien hallintayritykset olivat jääneet kryogeenisiin lämpötiloihin - huoneenlämpötilassa elektronit ja aukot hajoavat nopeasti. Mutta uudet 2D-puolijohteet, jotka on valmistettu yksikidekerroksista, muuttivat tilanteen.

Deotaren ryhmä käytti yksikerroksista volframidiselenidia, joka sijoitettiin litiumniobaatille, joka venyy ja supistuu sähkökentän vaikutuksesta. Koska sähkökenttä voisi jakaa eksitonit, volframidiselenidi suojattiin vielä boorinitridikerroksilla.

"Se, mitä teemme juuri nyt, mahdollistaa tietokoneen, joka toimii paljon suuremmalla nopeudella, kuluttaa vähemmän energiaa ja joka rakennetaan erittäin pienessä mittakaavassa", sanoo sähkö- ja tietokonetekniikan tohtoriopiskelija Zidong Li yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Fononinen katalyysi?

Eksitonit avaavat tietä tehokkaampaan elektroniikkaan