Американские инженеры из Мичиганского университета и Колледжа инженерии, коммуникаций и маркетинга разработали технологию, получившую название оптоэкситонный переключатель.
Это может в дальнейшем привести к появлению электронных устройств, которые не будут нагреваться во время работы. Инновационный переключатель работает так же, как и обычный электронный, используя электрический заряд для управления потоком электронов в системе.
Переключатели направляют поток энергии или управляют передачей сигналов в устройствах. Однако заряженные электроны выделяют тепло. Из-за этого электронные устройства нагреваются во время работы. Однако оптоэкситонные переключатели используют нейтрально заряженные квазичастицы «экситоны». Они возникают в результате того, что возбужденные электроны меняют положение внутри атома.
Возбужденные электроны вследствие перемещения оставляют после себя дырку — квазичастицу с положительным зарядом, которая связывается со свободными электронами. Вместе они образуют экситон с нейтральным зарядом, который не выделяет тепла во время передачи сигналов. Исследование представляет собой первый случай использования экситонов для создания переключателя, который по производительности превосходит существующие фотонные аналоги.
«Электроника нагревается, потому что в электронных устройствах всегда есть конденсаторы. Каждый раз, когда вы накапливаете или высвобождаете энергию, она нагревается. Экситон — это новая частица с нейтральным зарядом, такая как фотон, которая не выделяет тепла», — объясняет соавтор исследования из кафедры электротехники, компьютерной инженерии и прикладной физики Мичиганского университета Параг Деоторе.
Новое устройство, использующее экситоны, улучшает конструкцию, уменьшая переключатели для передачи информации вдвое. По словам Парага Деоторе, в долгосрочной перспективе подобные переключатели могут быть использованы для создания экситонных цепей. Эти цепи будут работать настолько эффективно, что компьютерные системы и электронные гаджеты больше не потребуют дополнительного охлаждения. Например, батареи смартфонов смогут намного дольше сохранять заряд.
Несмотря на то, что теория экситонных переключателей выглядит очень убедительно, разработка и тестирование новой технологии оказались сложной задачей. В обычных электронных системах электроны перемещаются благодаря электронному заряду, однако экситоны с нейтральным зарядом лишены такой возможности.
Для того, чтобы заставить экситоны двигаться в нужном направлении, исследователи использовали одинаково нейтрально заряженные фотоны, что позволило упорядочить экситоны в линейный массив вдоль одномерной плоскости.
Ученые сначала создали экситоны, а затем управляли ими с помощью соответствующего количества фотонов, которые поглощались на вершине этой одномерной плоскости, создавая популяцию экситонов. Затем исследователи добавляли больше фотонов, пока экситоны не начинали двигаться. Если оказывалось, что фотонов много, экситоны не могли следовать вдоль плоскости. Слишком малое количество фотонов приводило к тому, что экситоны оставались неподвижными.
«Мы предполагали, что если вырастить их достаточно толстыми, то взаимодействие света с экситонами будет настолько сильным, что толчок будет разрушен. И они смогли это продемонстрировать. По сути они должны были иметь магическую толщину. На самом деле это легко проверить экспериментально, поскольку цвет экситона будет меняться по мере продвижения вдоль плоскости«, — отмечает соавтор исследования, профессор Маккилло Кира.
Поскольку свет действует как волна, фотоны фактически «выталкивали» экситоны, как только удавалось достичь этой толщины. По результатам эксперимента коммутатор уже соответствует, или даже превосходит возможности современных технологий.
Конечной целью является масштабирование этих переключателей до уровня электронных схем. По словам исследователей, для достижения этой цели необходимо несколько усовершенствований, включая поиск новых материалов и разработку методов изготовления и масштабирования прототипов устройств, используемых в экспериментах. По расчетам авторов исследования, имеющиеся проблемы могут быть решены в течение нескольких ближайших десятилетий.
Результаты представлены в журнале ACS Nano
Источник: LivesScience
