Een nieuw soort 'draad' voor het verplaatsen van excitonen, ontwikkeld aan de Universiteit van Michigan, zou een nieuwe klasse apparaten mogelijk kunnen maken, waaronder misschien kwantumcomputers op kamertemperatuur.

Bovendien observeerde het team een ​​dramatische schending van de relatie van Einstein, die werd gebruikt om te beschrijven hoe deeltjes zich in de ruimte verspreidden, en gebruikte dit om excitonen in veel kleinere pakketjes te verplaatsen dan voorheen mogelijk was.

"De natuur gebruikt excitonen bij fotosynthese. Wij gebruiken excitonen in OLED-schermen en sommige LED's en zonnecellen", zegt Parag Deotare, co-corresponderend auteur van het onderzoek in ACS Nano het begeleiden van het experimentele werk, en een universitair hoofddocent elektrische en computertechniek. De studie is getiteld Enhanced Exciton-Drift Transport through Suppressed Diffusion in One-Dimensional Guides.

"Het vermogen om excitonen te verplaatsen waar we willen zal ons helpen de efficiëntie te verbeteren van apparaten die al excitonen gebruiken en excitoniek uit te breiden naar computers."

Een exciton kan worden gezien als een deeltje (vandaar een quasideeltje), maar het is in werkelijkheid een elektron dat verbonden is met een positief geladen lege ruimte in het rooster van het materiaal (een "gat"). Omdat een exciton geen netto elektrische lading heeft, worden bewegende excitonen niet beïnvloed door parasitaire capaciteiten, een elektrische interactie tussen aangrenzende componenten in een apparaat die energieverliezen veroorzaakt.

Excitonen zijn ook gemakkelijk om te zetten van en naar licht, waardoor ze de weg vrijmaken voor extreem snelle en efficiënte computers die een combinatie van optica en excitonica gebruiken in plaats van elektronica.

Deze combinatie zou kwantumcomputing bij kamertemperatuur mogelijk kunnen maken, zegt Mackillo Kira, co-corresponderend auteur van het onderzoek dat toezicht houdt op de theorie, en hoogleraar elektrotechniek en computertechniek.

Excitonen kunnen kwantuminformatie coderen en kunnen deze langer vasthouden dan elektronen in een halfgeleider. Maar die tijd wordt nog steeds gemeten in picoseconden (10 ^-12 seconden) op zijn best, dus Kira en anderen zijn aan het uitzoeken hoe ze femtoseconde laserpulsen kunnen gebruiken (10 ^-15 seconden) om informatie te verwerken.

"Volledige kwantuminformatietoepassingen blijven een uitdaging omdat de degradatie van kwantuminformatie te snel is voor gewone elektronica", zei hij. "We onderzoeken momenteel lichtgolfelektronica als een middel om excitoniek een boost te geven met extreem snelle verwerkingsmogelijkheden."

Het gebrek aan netto lading maakt het echter ook erg moeilijk om excitonen te verplaatsen. Eerder had Deotare een onderzoek geleid waarbij excitonen met akoestische golven door halfgeleiders werden geduwd. Nu maakt een piramidestructuur een nauwkeuriger transport mogelijk van kleinere aantallen excitonen, beperkt tot één dimensie zoals een draad.

Het werkt als volgt

Het team gebruikte een laser om een ​​wolk van excitonen te creëren in een hoek van de basis van de piramide, waardoor elektronen uit de valentieband van een halfgeleider in de geleidingsband stuiterden – maar de negatief geladen elektronen worden nog steeds aangetrokken door de positief geladen gaten die achterblijven in de piramide. de valentieband. De halfgeleider is een enkele laag wolfraamdiselenide-halfgeleider, slechts drie atomen dik, die als een rekbare stof over de piramide is gedrapeerd. En de rek in de halfgeleider verandert het energielandschap dat de excitonen ervaren.

Het lijkt contra-intuïtief dat de excitonen langs de rand van de piramide omhoog klimmen en zich op de top nestelen als we ons een energielandschap voorstellen dat voornamelijk wordt beheerst door de zwaartekracht. Maar in plaats daarvan wordt het landschap bepaald door hoe ver de valentie- en geleidingsbanden van de halfgeleider uit elkaar liggen. De energiekloof tussen de twee, ook wel de bandkloof van de halfgeleider genoemd, krimpt waar de halfgeleider wordt uitgerekt. De excitonen migreren naar de laagste energietoestand en worden naar de rand van de piramide geleid, waar ze vervolgens naar de top stijgen.

Normaal gesproken is een door Einstein opgestelde vergelijking goed in het beschrijven hoe een groep deeltjes naar buiten diffundeert en afdrijft. De halfgeleider was echter onvolmaakt, en die defecten fungeerden als vallen die enkele excitonen zouden vangen terwijl ze probeerden voorbij te drijven. Omdat de defecten aan de achterzijde van de excitonwolk waren opgevuld, diffundeerde die kant van de verdeling zoals voorspeld naar buiten. De voorsprong strekte zich echter niet zo ver uit. De relatie van Einstein zat er ruim een ​​factor 10 naast.

"We zeggen niet dat Einstein ongelijk had, maar we hebben aangetoond dat we in ingewikkelde gevallen als deze zijn relatie niet mogen gebruiken om de mobiliteit van excitonen uit de diffusie te voorspellen", zegt Matthias Florian, co-eerste auteur van de studie en een onderzoeksonderzoeker in elektrische en computertechniek, werkzaam onder Kira.

Om beide rechtstreeks te meten, moest het team afzonderlijke fotonen detecteren die werden uitgezonden toen de gebonden elektronen en gaten spontaan recombineerden. Met behulp van time-of-flight-metingen kwamen ze er ook achter waar de fotonen precies genoeg vandaan kwamen om de verdeling van excitonen in de wolk te meten.

De piramidestructuur werd gebouwd in de Lurie Nanofabrication Facility. Het team heeft met hulp van U-M Innovation Partnerships patentbescherming aangevraagd en zoekt partners om de technologie op de markt te brengen.

Meer informatie: Zidong Li et al., Verbeterd exciton-drifttransport door onderdrukte diffusie in eendimensionale gidsen, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04870

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Universiteit van Michigan