Інженери Мічіганського університету спільно з Коледжем інженерії, комунікацій та маркетингу розробили новий оптоекситонний перемикач, який може докорінно змінити принцип роботи електронних пристроїв і усунути проблему їхнього перегріву.
Про це розповідає ProIT
Як працює оптоекситонний перемикач
На відміну від традиційних електронних перемикачів, які передають сигнали за допомогою електричного заряду, оптоекситонний перемикач використовує екситони – квазічастинки з нейтральним зарядом, що утворюються при переході збудженого електрона на інший енергетичний рівень всередині атома. Після переміщення електрона лишається «дірка» з позитивним зарядом, яка разом з вільним електроном створює екситон. Оскільки екситони не мають електричного заряду, вони не виділяють тепло під час передачі сигналів, що дозволяє уникнути нагрівання пристроїв.
Дослідження американських вчених стало першим у світі прикладом створення перемикача на основі екситонів, який за своєю продуктивністю навіть перевершує сучасні фотонні аналоги. За словами Парага Деоторе з кафедри електротехніки, комп’ютерної інженерії та прикладної фізики Мічіганського університету, використання екситонів дозволило зменшити розміри перемикачів для передачі інформації вдвічі.
“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.
Перспективи та особливості технології
Технологія оптоекситонних перемикачів має значний потенціал для створення так званих екситонних ланцюгів, які зможуть працювати з мінімальним виділенням тепла. Це дозволить комп’ютерам та гаджетам обходитися без додаткового охолодження, а батареї смартфонів — довше зберігати заряд.
Однак розробка цієї технології супроводжувалася низкою складних завдань. На відміну від електронів, екситони не можуть рухатися під дією електричного поля. Для їх упорядкування дослідники використали фотони, які також мають нейтральний заряд. Таким чином, вдалося впорядкувати екситони у лінійний масив вздовж одномірної площини. Кількість фотонів, які поглиналися на вершині площини, ретельно регулювалася: надмір фотонів призводив до зупинки руху екситонів, а їх нестача – до нерухомості квазічастинок.
Як зазначає професор Маккілло Кіра, екситони потрібно було виростити до певної «магічної» товщини, щоб світловий імпульс не руйнував упорядкування. Фактично, хвильова природа світла дозволила фотонам «виштовхувати» екситони, що забезпечило їх рух у потрібному напрямку. За підсумками експериментів, новий перемикач уже може конкурувати з провідними сучасними технологіями.
Науковці планують масштабувати розробку до рівня електронних схем. Для цього необхідно вдосконалити матеріали, а також розробити методи виготовлення і масштабування прототипів. На думку авторів, ці питання можуть бути вирішені протягом кількох десятиліть, що відкриває перспективи створення енергоефективних та холодних процесорів нового покоління.
Результати дослідження опубліковані у журналі ACS Nano.
