|
Вычисления следующего поколения
|
|
|
|
Новый вид «провода» для перемещения экситонов, разработанный в Мичиганском университете, может помочь создать новый класс устройств, возможно, включая квантовые компьютеры при комнатной температуре. Более того, команда обнаружила резкое нарушение соотношения Эйнштейна, используемого для описания того, как частицы распространяются в пространстве, и использовала его для перемещения экситонов в гораздо меньших упаковках, чем это было возможно ранее. «Природа использует экситоны в фотосинтезе. Мы используем экситоны в OLED-дисплеях, а также в некоторых светодиодах и солнечных элементах», — сказал Параг Деотаре, соавтор исследования в ACS Nano, курирующий экспериментальную работу, и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники. Исследование называется «Улучшенный дрейфовый транспорт экситонов посредством подавленной диффузии в одномерных направляющих». «Возможность перемещать экситоны туда, куда мы хотим, поможет нам повысить эффективность устройств, которые уже используют экситоны, и расширить использование экситонов в вычислениях».
|
|
|
|
Экситон можно рассматривать как частицу (следовательно, квазичастицу), но на самом деле это электрон, связанный с положительно заряженным пустым пространством в решетке материала («дыркой»). Поскольку экситон не имеет чистого электрического заряда, на движущиеся экситоны не влияют паразитные емкости - электрическое взаимодействие между соседними компонентами в устройстве, которое вызывает потери энергии. Экситоны также легко преобразовывать в свет и обратно, поэтому они открывают путь для чрезвычайно быстрых и эффективных компьютеров, использующих комбинацию оптики и экситоники, а не электроники. Эта комбинация может помочь реализовать квантовые вычисления при комнатной температуре, сказал Маккилло Кира, соавтор исследования, курирующего теорию, и профессор электротехники и компьютерной инженерии. Экситоны могут кодировать квантовую информацию и удерживать ее дольше, чем электроны внутри полупроводника. Но это время по-прежнему измеряется в лучшем случае пикосекундами (10–12 секунд), поэтому Кира и другие придумывают, как использовать фемтосекундные лазерные импульсы (10–15 секунд) для обработки информации.
|
|
|
«Приложения полной квантовой информации остаются сложной задачей, поскольку деградация квантовой информации происходит слишком быстро для обычной электроники», — сказал он. «В настоящее время мы изучаем световолновую электронику как средство придания экситоникам чрезвычайно быстрых возможностей обработки». Однако отсутствие суммарного заряда также затрудняет перемещение экситонов. Ранее Деотаре руководил исследованием, в ходе которого экситоны пропускались через полупроводники с помощью акустических волн. Теперь пирамидальная структура обеспечивает более точный транспорт меньшего количества экситонов, ограниченных одним измерением, как проволока. Команда использовала лазер, чтобы создать облако экситонов в углу основания пирамиды, выбрасывая электроны из валентной зоны полупроводника в зону проводимости, но отрицательно заряженные электроны по-прежнему притягиваются к положительно заряженным дыркам, оставшимся в валентная зона. Полупроводник представляет собой один слой полупроводника из диселенида вольфрама толщиной всего три атома, накинутый на пирамиду, как эластичная ткань. А растяжение полупроводника меняет энергетический ландшафт экситонов.
|
|
|
|
Кажется нелогичным, что экситоны должны подниматься по краю пирамиды и располагаться на вершине, когда мы представляем себе энергетический ландшафт, управляемый главным образом гравитацией. Но вместо этого ситуация определяется тем, насколько далеко друг от друга находятся валентная зона и зона проводимости полупроводника. Энергетическая щель между ними, также известная как запрещенная зона полупроводника, сужается там, где полупроводник растягивается. Экситоны мигрируют в состояние с наименьшей энергией, направляются на край пирамиды, где затем поднимаются к ее вершине. Обычно уравнение, написанное Эйнштейном, хорошо описывает, как группа частиц диффундирует наружу и дрейфует. Однако полупроводник был несовершенен, и эти дефекты действовали как ловушки, которые захватывали некоторые экситоны, когда они пытались пройти мимо. Поскольку дефекты на задней стороне экситонного облака были заполнены, эта сторона распределения распространилась наружу, как и предполагалось. Однако передний край не простирался так далеко. Соотношение Эйнштейна отклонялось более чем в 10 раз.
|
|
|
|
«Мы не говорим, что Эйнштейн был неправ, но мы показали, что в таких сложных случаях нам не следует использовать его соотношение для предсказания подвижности экситонов на основе диффузии», — сказал Маттиас Флориан, соавтор исследования. исследование и исследователь в области электротехники и вычислительной техники, работающий под руководством Киры. Чтобы напрямую измерить и то, и другое, команде нужно было обнаружить одиночные фотоны, испускаемые при спонтанной рекомбинации связанных электронов и дырок. Используя измерения времени пролета, они также выяснили, откуда берутся фотоны, с достаточной точностью, чтобы измерить распределение экситонов внутри облака. Пирамидальная структура была построена на заводе по производству нанотехнологий в Лурье. Команда подала заявку на патентную защиту при содействии UM Innovation Partnerships и ищет партнеров для вывода технологии на рынок.
|
|
|
|
Источник
|
