Kohti valo-ohjattavia elektronisia komponentteja

Voisivatko matkapuhelimemme ja internet-datamme tulevaisuudessa toimia valon avulla pelkän sähkön sijaan?

Nyt ranskalaisen CNRS-tutkimuslaitoksen tutkijoiden johtama kansainvälinen tutkimusryhmä on ensimmäistä kertaa löytänyt, kuinka esimerkiksi kaksiulotteista elektronikaasua voidaan tuottaa valaisemalla oksidikerroksista koostuvaa materiaalia.

Kun valo sammutetaan, kaasu katoaa. Tämä ilmiö, joka sijaitsee optiikan ja elektroniikan rajapinnassa ja tasoittaa tietä lukuisille sovelluksille elektroniikassa, spintroniikassa ja kvanttilaskennassa.

Elektronisilla komponenteilla, joita voidaan ohjata valolla sähkön sijaan, on se etu, että ne ovat paljon nopeampia, energiatehokkaampia ja yksinkertaisempia käyttää: esimerkiksi valolla ohjattujen transistoreiden käyttö voisi poistaa jopa kolmanneksen sirun sähköisistä kontakteista, mikä säästäisi noin miljardi sähköistä kontaktia pelkästään tietokoneen prosessorissa.

Tästä löydöstä voisi syntyä muita fotoniikan ja elektroniikan yhdistäviä sovelluksia, kuten ultraherkkien optisten ilmaisimien suunnittelu. Tässä tapauksessa valo toimii tehokkaasti "tehosteena": samalla sähköjännitteellä tuotettu virta on jopa 100 000 kertaa suurempi kuin pimeässä!

Tämä läpimurto saavutettiin yhdistämällä huippuluokan kokeita teoreettisiin laskelmiin.

Tukijoiden tutkimuspaperin mukaan kaksiulotteiset elektronikaasut (2DEG) oksidirajapinnoissa ovat lupaavia elektroniikalle niiden toivottujen ominaisuuksien, kuten spin-orbit-kytkennän ja vahvojen korrelaatioiden, ansiosta. Näitä ominaisuuksia voidaan hyödyntää spintroniikassa tai fotoniikassa. Tässä yhteydessä kyky manipuloida oksidirajapintojen elektronikaasua ulkoisten säätönuppien avulla on erityisen tärkeää.

Työssään he osoittivat, että haihtuva, suuren liikkuvuuden omaava kaksiulotteinen elektronikaasu voidaan fotogeneroida SrTiO3:n ja äärettömän kerroksen NdNiO2:n rajapinnalla, jossa tällainen elektroninen tila muuten puuttuisi. Tämä mahdollistaa 2DEG:n optisen kytkemisen ON- ja OFF-tilojen välillä, mikä johtaa valtavaan, välittömään johtavuuden vaihteluun.

Lopuksi he päättelevät, että edistämällä fotojohtavuuden ymmärtämistä kompleksi-oksidirajapinnoissa tuloksemme tasoittavat tietä vahvasti korreloituneiden elektronien fotovasteen suunnittelulle.

Aiheesta aiemmin:

Nanorakenteet mahdollistavat valoaaltoelektroniikan

Virstanpylväs valotoimiselle elektroniikalle

Elektroniikka valon nopeudella