Un nuovo tipo di "filo" per lo spostamento degli eccitoni, sviluppato presso l'Università del Michigan, potrebbe aiutare a realizzare una nuova classe di dispositivi, tra cui forse i computer quantistici a temperatura ambiente.
Inoltre, il team ha osservato una drammatica violazione della relazione di Einstein, utilizzata per descrivere come le particelle si diffondono nello spazio, e l'ha sfruttata per spostare gli eccitoni in pacchetti molto più piccoli di quanto fosse possibile in precedenza.
"La natura utilizza gli eccitoni nella fotosintesi. Noi li utilizziamo nei display OLED e in alcuni LED e celle solari", ha affermato Parag Deotare, co-autore corrispondente dello studio in ACS Nano supervisionare il lavoro sperimentale e professore associato di ingegneria elettrica e informatica. Lo studio è intitolato Enhanced Exciton-Drift Transport through Suppressed Diffusion in One-Dimensional Guides.
"La capacità di spostare gli eccitoni dove vogliamo ci aiuterà a migliorare l'efficienza dei dispositivi che già utilizzano gli eccitoni e ad espandere l'eccitonica nell'informatica."
Un eccitone può essere pensato come una particella (quindi quasiparticella), ma in realtà è un elettrone collegato a uno spazio vuoto carico positivamente nel reticolo del materiale (un "buco"). Poiché un eccitone non ha carica elettrica netta, gli eccitoni in movimento non sono influenzati dalle capacità parassite, un'interazione elettrica tra componenti vicini in un dispositivo che causa perdite di energia.
Gli eccitoni sono anche facili da convertire da e verso la luce, quindi aprono la strada a computer estremamente veloci ed efficienti che utilizzano una combinazione di ottica ed eccitonica, anziché elettronica.
Questa combinazione potrebbe aiutare a consentire il calcolo quantistico a temperatura ambiente, ha affermato Mackillo Kira, co-autore corrispondente dello studio che supervisiona la teoria e professore di ingegneria elettrica e informatica.
Gli eccitoni possono codificare informazioni quantistiche e possono trattenerle più a lungo di quanto possano fare gli elettroni all'interno di un semiconduttore. Ma quel tempo viene ancora misurato in picosecondi (10 -12 secondi) nella migliore delle ipotesi, quindi Kira e altri stanno cercando di capire come utilizzare gli impulsi laser a femtosecondi (10 -15 secondi) per elaborare le informazioni.
"Le applicazioni complete dell'informazione quantistica rimangono impegnative perché il degrado dell'informazione quantistica è troppo rapido per l'elettronica ordinaria", ha affermato. "Stiamo attualmente esplorando l'elettronica delle onde luminose come mezzo per potenziare l'eccitonica con capacità di elaborazione estremamente veloci."
Tuttavia, la mancanza di carica netta rende anche molto difficile lo spostamento degli eccitoni. In precedenza, Deotare aveva condotto uno studio che spingeva gli eccitoni attraverso i semiconduttori con onde acustiche. Ora, una struttura piramidale consente un trasporto più preciso per un numero minore di eccitoni, confinati in una dimensione come un filo.
Il team ha utilizzato un laser per creare una nuvola di eccitoni in un angolo della base della piramide, facendo rimbalzare gli elettroni dalla banda di valenza di un semiconduttore nella banda di conduzione, ma gli elettroni caricati negativamente sono ancora attratti dalle lacune caricate positivamente lasciate nel semiconduttore. la banda di valenza. Il semiconduttore è un singolo strato di diseleniuro di tungsteno, spesso solo tre atomi, drappeggiato sulla piramide come un tessuto elastico. E l'allungamento del semiconduttore cambia il panorama energetico sperimentato dagli eccitoni.
Sembra controintuitivo che gli eccitoni risalgano il bordo della piramide e si stabiliscano al culmine quando immaginiamo un panorama energetico governato principalmente dalla gravità. Ma il panorama è invece governato dalla distanza tra le bande di valenza e di conduzione del semiconduttore. Il divario energetico tra i due, noto anche come gap di banda del semiconduttore, si riduce nei punti in cui il semiconduttore viene allungato. Gli eccitoni migrano verso lo stato energetico più basso, incanalati sul bordo della piramide dove poi raggiungono il suo picco.
Di solito, un'equazione scritta da Einstein è efficace nel descrivere come un gruppo di particelle si diffonde verso l'esterno e va alla deriva. Tuttavia, il semiconduttore era imperfetto e quei difetti agivano come trappole che catturavano alcuni degli eccitoni mentre cercavano di spostarsi. Poiché i difetti sul lato posteriore della nuvola di eccitoni sono stati riempiti, quel lato della distribuzione si è diffuso verso l’esterno come previsto. Il vantaggio, tuttavia, non si è esteso così lontano. La relazione di Einstein era sbagliata di oltre un fattore 10.
"Non stiamo dicendo che Einstein avesse torto, ma abbiamo dimostrato che in casi complicati come questo, non dovremmo usare la sua relazione per prevedere la mobilità degli eccitoni dalla diffusione", ha detto Matthias Florian, coautore del libro. lo studio e un ricercatore in ingegneria elettrica e informatica, che lavora sotto Kira.
Per misurarli direttamente entrambi, il team aveva bisogno di rilevare singoli fotoni, emessi quando gli elettroni e le lacune legati si ricombinavano spontaneamente. Utilizzando le misurazioni del tempo di volo, hanno anche capito da dove provenivano i fotoni con una precisione tale da poter misurare la distribuzione degli eccitoni all'interno della nuvola.
La struttura piramidale è stata costruita nella Lurie Nanofabrication Facility. Il team ha richiesto la protezione del brevetto con l'assistenza di UM Innovation Partnerships e sta cercando partner per portare la tecnologia sul mercato.
Ulteriori informazioni: Zidong Li et al, Trasporto migliorato della deriva degli eccitoni attraverso la diffusione soppressa nelle guide unidimensionali, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04870
Informazioni sul giornale: ACS Nano
Fornito dall'Università del Michigan
