Miten olisi eksitoniikka?

Michiganin yliopiston insinöörien kehittämä transistorin kaltainen kytkin voisi nopeuttaa tiedonsiirtoa tai jopa mahdollistaa piirejä, jotka toimivat eksitoneilla sähkön sijaan – tasoittaen tietä uudenlaiselle piiritekniikalle.

Koska eksitoneilla ei ole sähkövarausta, ne pystyvät siirtämään kvantti-informaatiota ilman sähköisesti varautuneiden hiukkasten, kuten elektronien, liikkumiseen liittyviä häviöitä.

”Elektroniikan rajat ovat nähtävissä nyt, kun tekoäly ja muut vaativat laskennat kuluttavat energiaa ja tuottavat lämpöä mielettömästi. Jos suuret prosessointikeskukset käyttäisivät sen sijaan eksitoniikkaa, näin valtavaa energiankulutusta ei enää olisi”, sanoo Mack Kira, tutkimuksen toinen vastaava kirjoittaja.

Vaikka eksitonit ovat elektroneja vähemmän tunnettuja, niitä käytetään jo yleisesti energian muuntamiseen – esimerkiksi valoissa, aurinkokennoissa ja muissa laitteissa.

"Matkapuhelinten näyttömme toimivat orgaanisten ledien avulla, jotka kaikki perustuvat eksitoniin", sanoo Parag Deotare , kokeellisen työn ohjaaja ja sähkö- ja tietokonetekniikan apulaisprofessori. "Kasvit jopa muuntavat valoa eksitoneiksi fotosynteesiä varten ja kuljettavat sitten tämän kvanttienergiapaketin sinne, missä sitä tarvitaan, ennen kuin ne muuntavat sen kemialliseksi energiaksi."

Puolijohteissa eksitonit muodostuvat, kun energialähde virittää elektronin, jolloin se hyppää perustilasta virittyneeseen tilaan ja jättää jälkeensä positiivisesti varautuneen tyhjiön eli "aukon". Negatiivisesti varautunut elektroni ja positiivisesti varautunut aukko vetävät toisiaan puoleensa ja liikkuvat parina muodostaen yhdessä neutraalisti varautuneen eksitonin.

Vaikka eksitonin neutraali varaus mahdollistaa sen liikkumisen ilman häviöitä, sillä on haittapuoli: eksitoneja on vaikea liikuttaa tarkoituksella. Negatiivisesti varautuneita elektroneja on helppo ohjata virrassa, koska positiivisesti varautunut elektrodi vetää niitä puoleensa, mutta tämä ei toimi neutraalien hiukkasten kohdalla.

Luodakseen laitteen, joka kykenisi manipuloimaan eksitoneja, tiimi nojasi aiemmin kehittämäänsä lähestymistapaan, jossa he loivat avaruuteen energiamaiseman, joka vetää eksitoneja fyysistä harjannetta – eksitonien vastinetta langalle – pitkin. Osa uutta kehitystä on eksitonien virtauksen ohjaaminen harjanteen molemmille puolille sijoitetuilla elektrodeilla, jotka toimivat portin tavoin.

"Kun elektrodit kytketään päälle, jännite luo energiaesteen, joka estää eksitonien liikkumisen. Kun jännite katkaistaan, eksitonit virtaavat uudelleen. Tällaista kytkintä ei ole tähän mennessä tehty", sanoo Zhaohan Jiang, sähkö- ja tietokonetekniikan tohtoriopiskelija ja tutkimuksen päätekijä UM:n yliopistosta.

Testien aikana laite osoitti yli 19 desibelin päälle-pois-kytkentäsuhteen, mikä on riittävän suuri tukemaan edistyneitä optoelektronisia sovelluksia, kuten nopeita sirulla olevia tiedonsiirtoyhteyksiä, joita käytetään edistyneissä supertietokoneissa, datakeskuksissa, tekoälyä hyödyntävissä älypuhelimissa ja puettavissa laitteissa, autonomisissa ajoneuvoissa, digitaalisissa kaksosissa ja muissa.

Uuden lähestymistavan toinen puoli on tapa, jolla se käyttää valoa antaakseen eksitoneille työntövoiman oikeaan suuntaan, mikä tekee laitteesta "optoeksitonisen" kytkimen. Sen lisäksi, että valo luo eksitonit aiheuttaen elektronien energiatasojen nousun, se kytkeytyy eksitoneihin ja auttaa niitä liikuttamaan harjannetta pitkin.

Yhdessä harjannerakenteen ja valon vuorovaikutuksen ansiosta eksitonit siirtyivät onnistuneesti jopa neljän mikrometrin päähän yhteen suuntaan alle puolessa nanosekunnissa huoneenlämmössä. Seuraavana vaiheena tiimin tavoitteena on kytkeä satoja eksitonisia kytkimiä toisiinsa.

"Vaikka tästä teknologiasta voisi kehittyä optoeksitoninen piiri, näen sen ensin parantavan fotoniikan ja elektroniikan välistä rajapintaa, mikä nopeuttaa prosessointia ja viestintää", Deotare sanoi.

Tällainen edistysaskel voisi olla avainasemassa nopeasti kasvavan nopean tiedonsiirron kysynnän tyydyttämisessä datakeskuksissa ja mahdollisesti tekoälyn ja koneoppimisen sovelluksissa.

Aiheesta aiemmin:

Viritettävät kvanttiloukut eksitoneille

Tietojenkäsittelyn tehonkulutuksen alarajalle

Eksitonit elektroniikan käyttöön