Kvazičástice excitony, které se tvoří v polovodičích, se mohou materiálem pohybovat při pokojové teplotě, ukázala studie vedená vědci z University of Michigan. Tento objev by mohl vést k efektivnějšímu chlazení počítačů a potenciálně také zvýšit účinnost LED diod a solárních panelů.
Exciton je kombinací elektronu a kladně nabité díry (původně místa, kde se elektron původně nacházel, než přeskočil do vyššího energetického stavu). Manipulace s excitony je oproti elektronu výhodnější kvůli tomu, že exciton jako celek nenese elektrický náboj, a proto se při jeho pohybu neztrácí energie (nevzniká teplo) v důsledku elektrického odporu. Právě nároky na chlazení jsou hlavní příčinou, proč se v posledních desetiletích již prakticky nezvyšuje frekvence, na niž pracují procesory, z 2-3 GHz. Pokud se tedy podaří snížit množství generovaného tepla, mohla by polovodičová elektronika dále zrychlit a excitony představují v tomto ohledu jednu z nadějných cest. Energie potřebná ke vzniku excitonů se materiálu může dodávat v podobě světla nebo mohou být indukovány elektrickým proudem, což se právě předpokládá u procesorů příští generace.
Z druhé strany je ale s přenosem informace prostřednictvím excitonů problém. Na rozdíl od elektronů jejich pohyb nelze přímo řídit pomocí elektrického napětí. Parag Deotare a Kanak Datta z University of Michigan a jejich spolupracovníci z japonského National Institute for Materials Science nyní proto k řízení pohybu excitonů zkusili použít zvukové vlny. Ukázali, že excitony mohou na těchto vlnách „surfovat“ a přemisťovat se tak z jednoho místa v polovodičovém čipu na druhé. Takový přenos dat by se pak mohl i úplně obejít bez tranzistoru.
Důležité je i to, že celá technologie fungovala za pokojové teploty. Až donedávna byly totiž pokusy o řízení excitonů omezeny na velmi nízké teploty, protože při pokojové teplotě se systémy děr a elektronů obvykle rychle rozpadají. Nové 2D polovodiče z monokrystalických vrstev to však změnily – zejména třída materiálů známá jako dichalkogenidy přechodných kovů. V této studii byl použit selenid wolframičtý WSe2. Aby vytvořili akustické vlny pro surfování, umístili vědci tento jednovrstvý polovodič na niobičnan lithný LiNbO3; ten zde funguje materiál, který se roztahuje a smršťuje v přítomnosti elektrického pole. Sada elektrod na podkladu pak vytváří elektrické pole a prostřednictvím vibrací niobičnanu lithného i zvukové vlny. Elektrické pole by ovšem excitony rozbilo, takže selenid wolframičtý bylo ještě třeba chránit (odstínit) vrstvou nitridu boru, která přitom ale pro akustické vlny byla propustná.
Co se týče možných souvisejících technologií mimo samotné počítače. V solárních článcích excitony vznikají z fotonů a přesouvají se relativně silnou vrstvou polovodiče. Cílem je dokázat přesunout co nejvíc excitonů ještě předtím, než se rozpadnou na elektrony a díry, na místo, kde probíhá samotné generování elektrického proudu. Podobně v LED diodách by přesun excitonů mohl snížit množství světla ztraceného uvnitř LED diody. Excitony by se mohly ve větší míře stačit přesunout od elektrod do oblasti určené k odvádění světla z polovodiče (kde se elektrony a díry spojí a vytvoří foton).
Studie byla publikována v Nature Photonics.
Kanak Datta et al, Spatiotemporally controlled room-temperature exciton transport under dynamic strain, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-021-00951-3
Zdroj: University of Michigan/Phys.org