Инженеры Мичиганского университета совместно с Колледжем инженерии, коммуникаций и маркетинга разработали новый оптоэкситонный переключатель, который может кардинально изменить принцип работы электронных устройств и устранить проблему их перегрева.
Об этом сообщает ProIT
Как работает оптоэкситонный переключатель
В отличие от традиционных электронных переключателей, которые передают сигналы с помощью электрического заряда, оптоэкситонный переключатель использует экситоны – квазичастицы с нейтральным зарядом, образующиеся при переходе возбужденного электрона на другой энергетический уровень внутри атома. После перемещения электрона остается «дыра» с положительным зарядом, которая вместе с свободным электроном создает экситон. Поскольку экситоны не имеют электрического заряда, они не выделяют тепло во время передачи сигналов, что позволяет избежать нагрева устройств.
Исследование американских ученых стало первым в мире примером создания переключателя на основе экситонов, который по своей производительности даже превосходит современные фотонные аналоги. По словам Парага Деотора с кафедры электротехники, компьютерной инженерии и прикладной физики Мичиганского университета, использование экситонов позволило уменьшить размеры переключателей для передачи информации вдвое.
«Электроника нагревается, потому что в электронных устройствах всегда есть конденсаторы. Каждый раз, когда вы накапливаете или высвобождаете энергию, она нагревается. Экситон – это новая частица с нейтральным зарядом, такая как фотон, которая не выделяет тепла», – объясняет соавтор исследования с кафедры электротехники, компьютерной инженерии и прикладной физики Мичиганского университета Параг Деотора.
Перспективы и особенности технологии
Технология оптоэкситонных переключателей имеет значительный потенциал для создания так называемых экситонных цепей, которые смогут работать с минимальным выделением тепла. Это позволит компьютерам и гаджетам обходиться без дополнительного охлаждения, а батареи смартфонов – дольше сохранять заряд.
Однако разработка этой технологии сопровождалась рядом сложных задач. В отличие от электронов, экситоны не могут двигаться под действием электрического поля. Для их упорядочивания исследователи использовали фотоны, которые также имеют нейтральный заряд. Таким образом, удалось упорядочить экситоны в линейный массив вдоль одномерной плоскости. Количество фотонов, которые поглощались на вершине плоскости, тщательно регулировалось: избыток фотонов приводил к остановке движения экситонов, а их недостаток – к неподвижности квазичастиц.
Как отмечает профессор Маккилло Кира, экситоны нужно было вырастить до определенной «магической» толщины, чтобы световой импульс не разрушал упорядочение. Фактически, волновая природа света позволила фотонам «выталкивать» экситоны, что обеспечивало их движение в нужном направлении. По итогам экспериментов новый переключатель уже может конкурировать с ведущими современными технологиями.
Ученые планируют масштабировать разработку до уровня электронных схем. Для этого необходимо усовершенствовать материалы, а также разработать методы изготовления и масштабирования прототипов. По мнению авторов, эти вопросы могут быть решены в течение нескольких десятилетий, что открывает перспективы создания энергоэффективных и холодных процессоров нового поколения.
Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.
