Næste-gen-databehandling:Svært-bevægelige kvasipartikler glider op ad pyramidekanterne

En ny slags "wire" til at flytte excitoner, udviklet ved University of Michigan, kunne hjælpe med at aktivere en ny klasse af enheder, måske inklusive stuetemperatur kvantecomputere.

Hvad mere er, observerede holdet en dramatisk krænkelse af Einsteins forhold, brugt til at beskrive, hvordan partikler spredte sig i rummet, og udnyttede det til at flytte excitoner i meget mindre pakker end tidligere muligt.

"Naturen bruger excitoner i fotosyntesen. Vi bruger excitoner i OLED-skærme og nogle LED'er og solceller," sagde Parag Deotare, medkorresponderende forfatter til undersøgelsen i ACS Nano tilsyn med forsøgsarbejdet, og en lektor i el- og computerteknik. Undersøgelsen har titlen, Enhanced Exciton-Drift Transport through Suppressed Diffusion in One-Dimensional Guides.

"Evnen til at flytte excitoner, hvor vi ønsker, vil hjælpe os med at forbedre effektiviteten af ​​enheder, der allerede bruger excitoner og udvide excitoner til computere."

En exciton kan opfattes som en partikel (deraf kvasipartikel), men det er virkelig en elektron forbundet med et positivt ladet tomt rum i materialets gitter (et "hul"). Fordi en exciton ikke har nogen netto elektrisk ladning, påvirkes bevægelige excitoner ikke af parasitiske kapacitanser, en elektrisk interaktion mellem nabokomponenter i en enhed, der forårsager energitab.

Excitoner er også nemme at konvertere til og fra lys, så de åbner vejen for ekstremt hurtige og effektive computere, der bruger en kombination af optik og excitonik frem for elektronik.

Denne kombination kunne hjælpe med at muliggøre kvanteberegning ved stuetemperatur, sagde Mackillo Kira, medtilsvarende forfatter til undersøgelsen, der overvåger teorien, og professor i elektro- og computerteknik.

Excitoner kan kode kvanteinformation, og de kan hænge på den længere, end elektroner kan inde i en halvleder. Men den tid måles stadig i picosekunder (10 ^-12 sekunder) i bedste fald, så Kira og andre er ved at finde ud af, hvordan man bruger femtosekund laserimpulser (10 ^-15 sekunder) for at behandle oplysninger.

"Fuld kvanteinformationsapplikationer forbliver udfordrende, fordi nedbrydning af kvanteinformation er for hurtig til almindelig elektronik," sagde han. "Vi udforsker i øjeblikket lysbølgeelektronik som et middel til at overlade excitonics med ekstremt hurtige behandlingsmuligheder."

Manglen på nettoladning gør dog også excitoner meget svære at flytte. Tidligere havde Deotare ledet en undersøgelse, der skubbede excitoner gennem halvledere med akustiske bølger. Nu muliggør en pyramidestruktur mere præcis transport for mindre antal excitoner, begrænset til én dimension som en ledning.

Det fungerer sådan her

Holdet brugte en laser til at skabe en sky af excitoner i et hjørne af pyramidens base, der hopper elektroner ud af valensbåndet af en halvleder ind i ledningsbåndet - men de negativt ladede elektroner tiltrækkes stadig af de positivt ladede huller, der er tilbage i valensbåndet. Halvlederen er et enkelt lag af wolfram-diselenid-halvleder, kun tre atomer tyk, draperet over pyramiden som en strækbar klud. Og strækningen i halvlederen ændrer det energilandskab, som excitonerne oplever.

Det virker kontraintuitivt, at excitonerne skulle ride op ad pyramidens kant og slå sig ned på toppen, når vi forestiller os et energilandskab, der hovedsageligt er styret af tyngdekraften. Men i stedet er landskabet styret af, hvor langt fra hinanden halvlederens valens- og ledningsbånd er. Energigabet mellem de to, også kendt som halvlederens båndgab, krymper, hvor halvlederen strækkes. Excitonerne migrerer til den laveste energitilstand, ledes op på pyramidens kant, hvor de derefter stiger til dets top.

Normalt er en ligning skrevet af Einstein god til at beskrive, hvordan en flok partikler diffunderer udad og driver. Halvlederen var dog ufuldkommen, og disse defekter fungerede som fælder, der ville fange nogle af excitonerne, da de forsøgte at drive forbi. Fordi defekterne på den bagerste side af excitonskyen blev udfyldt, diffunderede den side af fordelingen udad som forudsagt. Forkanten rakte dog ikke så langt. Einsteins forhold faldt med mere end en faktor 10.

"Vi siger ikke, at Einstein tog fejl, men vi har vist, at i komplicerede sager som dette, bør vi ikke bruge hans forhold til at forudsige mobiliteten af ​​excitoner fra diffusionen," sagde Matthias Florian, co-first-forfatter til undersøgelsen og en forskningsforsker i elektro- og computerteknik, der arbejder under Kira.

For direkte at måle begge, var holdet nødt til at detektere enkelte fotoner, der udsendes, når de bundne elektroner og huller spontant rekombinerede. Ved hjælp af time-of-flight-målinger fandt de også ud af, hvor fotonerne kom fra præcist nok til at måle fordelingen af ​​excitoner i skyen.

Pyramidestrukturen blev bygget i Lurie Nanofabrication Facility. Holdet har ansøgt om patentbeskyttelse med bistand fra U-M Innovation Partnerships og søger partnere til at bringe teknologien på markedet.

Flere oplysninger: Zidong Li et al., Enhanced Exciton Drift Transport through Suppressed Diffusion in One-Dimensional Guides, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04870

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af University of Michigan