Cercetătorii au dezvoltat o tehnologie avansată care rezolvă o limită fundamentală a electronicelor.
Această nouă tehnologie, supranumită un „comutator optoexcitonic”, ar putea duce la o nouă clasă de electronice – variind de la telefoane și PC -uri la centre de date și computere cuantice care pot funcționa fără a genera căldură reziduală.
Noul comutator funcționează ca un comutator electronic convențional, care folosește o încărcare electrică pentru a controla fluxul de electroni într -un sistem. Comutatoarele direcționează fluxul de energie sau controlează transmiterea semnalelor într -un dispozitiv.
Deoarece acești electroni sunt încărcați, produc „căldură reziduală”. Acesta este motivul pentru care laptopul dvs. se încălzește atunci când jucați un joc video solicitant și de ce centrele de date masive funcționează la temperaturi extraordinar de ridicate.
Noile „comutatoare excitonice”, pe de altă parte, se bazează pe „excitoni” încărcați neutru – o clasă de cvasiparticule create de „Entur” un electron în așa fel încât să fie eliminat din poziția sa într -un atom.
Acești electroni excitați lasă în urmă o gaură care se leagă de electronul liber. Împreună, electronul cu mișcare liberă, care are acum o încărcare negativă, iar gaura pe care o lasă în urmă, care are o încărcare pozitivă, formează o singură cvasiparticlă numită „exciton” care rămâne încărcată neutru. Deoarece excitonii au o încărcare neutră, nu produc căldură atunci când transferă informații.
Puterea luminii
The Breakthrough Research, publicat pe 31 august în Jurnal ACS nanoeste prima dată când au fost folosiți excitoni pentru a crea un comutator care depășește performanța comutatoarelor fotonice actuale și obține performanțe generale de ultimă generație.
“Electronica se încălzește și asta pentru că dispozitivele electronice au întotdeauna condensatoare”, coautor de studiu Parag deotorea declarat pentru Live Science, profesor asociat, inginerie informatică și fizică aplicată. “De fiecare dată când stocați energie sau eliberați acea energie, o încălziți. Un exciton este o nouă particulă neutră de încărcare, precum un foton, care nu produce această căldură.”
Noul dispozitiv folosește excitoni pentru a depăși problema căldurii și se îmbunătățește proiectarea electronică prin micșorarea întrerupătorilor utilizate pentru a muta informațiile cu două comenzi de mărime.
Deotore a spus că obiectivul pe termen lung în dezvoltarea acestor noi comutatoare este de a crea circuite excitonice care funcționează atât de eficient încât sistemele informatice nu au nevoie de ventilatoare și că telefoanele își pot menține bateriile încărcate pentru perioade mult mai lungi.
Testarea „grosimii magice”
În timp ce teoria din spatele comutatoarelor excitonice este solidă, inginerie și testarea noii tehnologii au prezentat cea mai mare provocare pentru echipă. Într-un sistem electronic convențional, electronii sunt împinși acolo unde trebuie să treacă printr-o încărcare electrică cu forță brută. Excitonii nu au această opțiune din cauza încărcării lor neutre.
Pentru a obține excitoni pentru a merge acolo unde trebuie să meargă, oamenii de știință au folosit fotoni încărcați în mod similar pentru a comanda excitonii într-un tablou liniar de-a lungul unui plan unidimensional-sau „creastă”.
Echipa a creat excitonii, apoi i -a afectat cu un număr specific de fotoni, care au fost absorbiți în vârful crestei pentru a crea o populație de exciton, a spus Deotore. Cu alte cuvinte, aceasta este o mulțime de excitoni înclinați și stând nemișcați în partea de jos a unei linii drepte. Echipa a aplicat apoi mai mulți fotoni până când excitonii au început să se miște. Dacă au adăugat prea mulți fotoni, excitonii nu au reușit să urmeze creasta; Prea puțini fotoni au făcut ca excitonii să rămână nemișcați.
“Prezicerea noastră a fost că, dacă le creșteți suficient de groase, cuplarea ușoară la excitoni va fi astfel încât apăsarea va fi distrusă. Și ei ar putea să o arate. Deci, practic, trebuia să aibă o grosime magică”, studiul coautorului de studiu Mackillo KiraAu declarat pentru Live Science, un profesor de inginerie electrică și informatică și co-director al Institutului de Cercetare cuantică al Universității. “
Deoarece lumina acționează ca un val, fotonii au „împins” excitonii odată ce a fost obținută această grosime magică. Observarea acestei activități a confirmat teoriile și a dovedit că experimentul a fost un succes, a adăugat Kira. “Acest lucru este de fapt ușor de verificat pentru experimente, deoarece culoarea excitonului se va schimba pe măsură ce mergeți de -a lungul crestei, a spus Kira.
Pe baza rezultatelor experimentului, comutatorul îndeplinește deja sau depășește capacitățile tehnologiei actuale.
Scopul final este de a extinde aceste comutatoare în circuite care, în mod evident, ar înlocui electronica actuală. Potrivit cercetătorilor, sunt necesare mai multe progrese pentru a atinge acest obiectiv, inclusiv găsirea de materiale noi și dezvoltarea tehnicilor pentru fabricarea și extinderea dispozitivelor de prototip utilizate în experimentele echipei. Dar echipa consideră că aceste provocări ar putea fi depășite în câteva decenii.
Speranța este că întrerupătoarele și circuitele optoexcitonice ar putea depăși căldura reziduală – probabil cea mai mare problemă în calcul. Acest lucru ar permite reduceri masive ale mărimii cuplate cu îmbunătățiri exponențiale ale performanței, au spus oamenii de știință.