Metamateriaalilla mikropiirejä ilman puolijohteita

University of California San Diegon insinöörit ovat valmistaneet ensimmäisen puolijohteista vapaan, optisesti ohjatun mikroelektronisen laitteen.

Metamateriaalien avulla insinöörit rakensivat laitteen, joka osoittaa tuhannen prosentin kasvua johtavuudessa kun aktivoidaan pienellä jännitteellä ja pienitehoisella laserilla.

Löytö avaa tietä mikroelektroniikan laitteille, jotka ovat nopeampia ja kykenevät käsittelemään suurempia tehoja mutta voisi johtaa myös tehokkaampiin aurinkopaneeleihin.

Nykyisten mikroelektronisten komponenttien kykyjä rajoittavat puolijohteiden kaistaeron ylittäminen, joka vaatii ulkoista energiaa ja muutenkin elektronit törmäilevät jatkuvasti atomien kanssa kun ne virtaavat puolijohteen läpi. Esimerkiksi neon-kaasussa elektronit kulkevat melkein kymmenen kertaa nopeammin kuin piissä.

Sähkötekniikan professori Dan Sievenpiperin johtama tutkijat pyrkivät poistamaan nämä haitat korvaamalla puolijohteet vapaan tilaan elektroneilla vähän niin kuin radioputkissa aikoinaan. Elektronien vapauttaminen materiaaleista vaatii kuitenkin suuria jännitteitä, suuritehoisia lasereita tai erittäin korkeaa lämpötilaa, joista oikein mikään ei ole käytännöllinen mikro- ja nanomittakaavan piireissä.

Haasteeseen tutkijat vastasivat mikrorakenteella, joka koostuu piikiekon ja piioksidin päällä olevasta teknisestä metapinnasta. Metapinta koostuu joukosta kultaisia sienimäisiä nanorakenteita rinnakkaisien kultaisten nauhojen joukossa.

Kultainen metapinta on suunniteltu siten, että pieni tasajännite (alle 10 volttia) ja pienitehoinen infrapunalaser yhdessä muodostavat metapintaan kuumia pisteitä, joilla on niin vahva sähkökenttä, että se riittää vetämään elektroneja pois metallista ja vapauttaa ne tyhjään tilaan.

- Tämä ei varmasti korvaa kaikkia puolijohdekomponentteja, mutta se voi olla paras lähestymistapa tiettyihin erikoissovelluksiin, kuten erittäin suurille taajuuksille tai suuritehoisille piireille, toteaa Sievenpiper yliopistonsa uutistiedotteessa.