Американські інженери з Мічіганського університету та Коледжу інженерії, комунікацій та маркетингу розробили технологію, що отримала назву оптоекситонний перемикач.
Це може у подальшому призвести до появи електронних пристроїв, які не будуть нагріватись під час роботи. Інноваційний перемикач працює так само, як і звичайний електронний, використовуючи електричний заряд для керування потоком електронів у системі.
Перемикачі спрямовують потік енергії або керують передачею сигналів у пристрої. Однак заряджені електрони виділяють тепло. Через це електронні пристрої нагріваються під час роботи. Однак оптоекситонні перемикачі використовують нейтрально заряджені квазічастинки “екситони”. Вони виникають внаслідок того, що збуджені електрони змінюють положення всередині атома.
Збуджені електрони внаслідок переміщення залишають по собі дірку — квазічастинку з позитивним зарядом, яка зв’язується з вільними електронами. Разом вони утворюють екситон з нейтральним зарядом, що не виділяє тепла під час передачі сигналів. Дослідження являє собою перший випадок використання екситонів для створення перемикача, який за продуктивністю перевершує існуючі фотонні аналоги.
“Електроніка нагрівається, тому що в електронних пристроях завжди є конденсатори. Щоразу, коли ви накопичуєте чи вивільняєте енергію, вона нагрівається. Екситон — це нова частинка із нейтральним зарядом, така як фотон, яка не виділяє тепла”, — пояснює співавтор дослідження з кафедри електротехніки, комп’ютерної інженерії та прикладної фізики Мічіганського університету Параг Деоторе.
Новий пристрій, який використовує екситони, покращує конструкцію, зменшуючи перемикачі для передачі інформації вдвічі. За словами Парага Деоторе, у довгостроковій перспективі подібні перемикачі можуть бути використані для створення екситонних ланцюгів. Ці ланцюги працюватимуть настільки ефективно, що комп’ютерні системи та електроні гаджети більше не потребуватимуть додаткового охолодження. Наприклад, батареї смартфонів зможуть набагато довше зберігати заряд.
Попри те, що теорія екситонних перемикачів виглядає дуже переконливо, розробка та тестування нової технології виявились складним завданням. У звичайних електронних системах електрони переміщуються завдяки електронному заряду, однак екситони з нейтральним зарядом позбавлені такої можливості.
Для того, аби змусити екситони рухатись у потрібному напрямку, дослідники використали однаково нейтрально заряджені фотони, що дозволило впорядкувати екситони в лінійний масив уздовж одномірної площини.
Науковці спочатку створили екситони, а потім керували ними за допомогою відповідної кількості фотонів, які поглинались на вершині цієї одномірної площини, створюючи популяцію екситонів. Потім дослідники додавали більше фотонів, допоки екситони не починали рухатися. Якщо виявлялось, що фотонів забагато, екситони не могли слідувати уздовж площини. Занадто мала кількість фотонів призводила до того, шо екситони залишались нерухомими.
“Ми припускали, що якщо виростити їх досить товстими, то взаємодія світла з екситонами буде настільки сильною, що поштовх буде зруйнований. І вони змогли це продемонструвати. По суті вони повинні були мати магічну товщину. Насправді це легко перевірити експериментально, оскільки колір екситону буде змінюватися в міру просування вздовж площини“, — зазначає співавтор дослідження, професор Маккілло Кіра.
Оскільки світло діє як хвиля, фотони фактично “виштовхували” екситони, як тільки вдавалось досягти цієї товщини. За результатами експерименту комутатор вже відповідає, або навіть перевершує можливості сучасних технологій.
Кінцевою метою є масштабування цих перемикачів до рівня електронних схем. За словами дослідників, для досягнення цієї мети необхідно кілька удосконалень, включаючи пошук нових матеріалів та розробку методів виготовлення та масштабування прототипів пристроїв, що використовуються в експериментах. За разрахунками авторів дослідження, наявні проблеми можуть бути вирішені упродовж кількох найближчих десятиліть.
Результати представлені у журналі ACS Nano
Джерело: LivesScience
Контент сайту призначений для осіб віком від 21 року. Переглядаючи матеріали, ви підтверджуєте свою відповідність віковим обмеженням.
Cуб'єкт у сфері онлайн-медіа; ідентифікатор медіа - R40-06029.