Forskere udvikler ensrettet gade for elektroner

Forskere ved University of North Carolina i Chapel Hill lavede en ensrettet gade for elektroner, der kan låse op for enheders evne til at behandle ultra-højhastigheds trådløse data og samtidig høste energi til strøm. Forskerne gjorde dette ved at forme silicium i mikroskopisk skala for at skabe en tragt, eller "skralde, " for elektroner.

Denne metode overvinder hastighedsbegrænsningerne fra tidligere teknologier ved at fjerne grænseflader, der har en tendens til at bremse enheder." a forlade en persons håndled, " sagde James Custer Jr., en ph.d.-studerende ved UNC-Chapel Hill's College of Arts &Sciences.

Resultaterne blev offentliggjort den 10. april i tidsskriftet Videnskab . Custer er hovedforfatter. Han arbejdede med samarbejdspartnere på Duke og Vanderbilt universiteterne.

Elektroner bærer elektrisk strøm, og de er typisk ligeglade med formen på den ledning, som strømmen løber i. Endnu, når tingene bliver meget små, formen begynder at have betydning. Tragterne her er ultra små, mere end en million gange mindre end en typisk elektrisk ledning. Som resultat, elektronerne indeni opfører sig som billardkugler - hopper frit ud af overflader. Den asymmetriske tragtform får derefter elektronerne til at hoppe fortrinsvis i én retning. Træde i kræft, elektronerne tvinges til at følge en ensrettet gade.

Under en jævnstrøm (DC) spænding, tragten gør det lettere for strømmen at flyde i fremadgående retning end baglæns, skabe en elektrisk diode. Når vekselstrøm (AC) tilføres, strukturen tillader stadig kun strøm at flyde i én retning, opfører sig som en skralde og får elektroner til at samle sig på den ene side. Denne proces er som en topnøgle, hvilke skralder tvinger til at producere fysisk bevægelse i kun én retning.

Arbejdet har vist, at disse elektronskralde skaber "geometriske dioder", der fungerer ved stuetemperatur og kan låse op for hidtil usete evner i det illusive terahertz-regime.

"Elektriske dioder er en grundlæggende komponent i elektronik, og vores resultater tyder på, at der kunne være et helt andet paradigme for design af dioder, der fungerer ved meget høje frekvenser, " sagde James Cahoon, en lektor i kemi. Cahoon er tilsvarende forfatter og ledede undersøgelsens forskningsgruppe. "Resultaterne er mulige, fordi vi dyrker strukturerne nedefra og op, ved hjælp af en syntetisk proces, der giver geometrisk præcise, enkeltkrystallinske materialer."

Elektronskralderne er skabt af en proces, der tidligere er udviklet i Cahoon-gruppen kaldet ENGRAVE, som står for "Encoded Nanowire Growth and Appearance through VLS and Etching." ENGRAVE bruger en damp-væske-fast proces til kemisk at dyrke enkeltkrystalcylindre af silicium, kaldet nanotråde, med præcist defineret geometri.

"Meget af arbejdet på dette felt er tidligere blevet udført med dyre materialer ved kryogene temperaturer, men vores arbejde fremhæver, at geometriske dioder lavet med relativt billigt silicium kan fungere ved stuetemperatur, hvilket endda overraskede os i starten, " sagde Custer. "Vi håber, at vores resultater udløser en bølge af interesse for geometriske dioder."

Dioder er rygraden i al teknologi; de tillader computere at behandle data ved at indkode signaler som 1'ere og 0'ere. Traditionelt, dioder kræver grænseflader mellem materialer, såsom mellem n-type og p-type halvledere eller mellem halvledere og metaller. Derimod geometriske dioder er lavet af et enkelt materiale og bruger simpelthen form til at lede ladninger fortrinsvis i én retning.

Med fortsat udvikling, nanotråd elektron skralder lover at bane en højhastigheds-, ensrettet vej til nye teknologier.