Wetenschap

Science >> Wetenschap > >> nanotechnologie

Het visualiseren van de elektronenstroom motiveert nieuwe apparaten op nanoschaal, geïnspireerd op vliegtuigvleugels

Gabor zei dat het team laserbeeldvorming combineerde met nieuwe lichtgevoelige apparaten om de eerste beelden te bedenken van fotostroomstroomlijnen door een werkend apparaat. Een fotostroom is een elektrische stroom die wordt geïnduceerd door de werking van licht.

"Als je weet hoe de elektronen stromen, kun je weten hoe je kunt voorkomen dat ze schadelijke effecten veroorzaken, zoals het opwarmen van het circuit", zei Gabor. "Met onze techniek kun je nu precies beoordelen waar en hoe de elektronen stromen, waardoor we een krachtig hulpmiddel hebben om de ladingsstroom in opto-elektronische apparaten te visualiseren, karakteriseren en meten."

Het onderzoeksartikel is getiteld "Mapping the intrinsic photocurrent streamlines through micromagnetic heterostructure devices" en verschijnt in de Proceedings of the National Academy of Sciences .

Gabor legde uit dat wanneer elektronen kinetische energie verkrijgen, ze opwarmen. Uiteindelijk verwarmen ze het materiaal om hen heen, zoals draden die kunnen smelten.

"Als je een hittepiek in je computer krijgt, beginnen je circuits te sterven", zei hij. "Dit is de reden waarom onze computers worden uitgeschakeld als ze oververhit raken. Dit is om circuits te beschermen die beschadigd kunnen raken door alle warmte die in de metalen vrijkomt."

De onderzoekers ontwierpen micromagnetische vleugelvormige apparaten, electrofoils genaamd, waarmee ze stroomlijnen van elektronische lading nauwkeurig konden verdraaien, comprimeren en decomprimeren. Credit:UCR/QMO Lab

Het team van Gabor ontwierp de elektrofoils in het laboratorium als kleine vleugelvormen in apparaten op nanoschaal die de elektronen eromheen laten stromen, vergelijkbaar met hoe luchtmoleculen rond een vliegtuigvleugel stromen.

"We wilden een vorm die ons verschillende draaisnelheden kon geven, iets met een continue kromming", zei Gabor.

"We lieten ons inspireren door vliegtuigvleugels, die een geleidelijke kromming hebben. We dwongen de stroom om rond de elektrofoil te stromen, die verschillende vlieghoeken biedt. Hoe scherper de hoek, hoe meer de compressie van de stroomlijnen. In steeds meer materialen beginnen we te ontdekken dat elektronen zich als vloeistoffen gedragen. Dus in plaats van apparaten te ontwerpen op basis van bijvoorbeeld elektrische weerstand, kunnen we een aanpak kiezen met loodgieterswerk in gedachten en pijpleidingen ontwerpen waar elektronen doorheen kunnen stromen."

In hun experimenten gebruikten Gabor en zijn collega's een microscopiemethode die gebruik maakt van een uniform roterend magnetisch veld om fotostroomstroomlijnen in beeld te brengen door ultradunne apparaten gemaakt van een laag platina op yttrium-ijzer-granaat, of YIG. YIG is een isolator, maar zorgt voor een magnetisch veldeffect wanneer er een dun laagje platina op wordt geplakt.

"Het magnetische veldeffect treedt alleen op op het grensvlak van dit granaatkristal en platina", zei Gabor. "Als je het magnetische veld kunt beheersen, beheers je de stroom."

Om een fotostroom in een gewenste richting te genereren, richtten de onderzoekers een laserstraal op YIG, waarbij de laser als lokale warmtebron diende. Een effect dat bekend staat als het "foto-Nernst-effect" genereert de fotostroom waarvan de richting wordt bepaald door het externe magnetische veld.

"Directe beeldvorming om fotostroomstroomlijnen in kwantum-opto-elektronische apparaten te volgen blijft een belangrijke uitdaging bij het begrijpen van het gedrag van exotische apparaten", aldus Gabor. "Onze experimenten laten zien dat fotostroomstroomlijnmicroscopie een robuust nieuw experimenteel hulpmiddel is om fotostroom in kwantummaterialen te visualiseren. Dit hulpmiddel helpt ons te kijken hoe elektronen zich slecht gedragen."

Gabor legde uit dat het algemeen bekend is dat elektronen zich onder specifieke omstandigheden op "rare manieren" gedragen, vooral in zeer kleine apparaten.

"Onze techniek kan nu worden gebruikt om ze beter te bestuderen", zei hij. "Als ik een geïntegreerd circuit zou proberen te ontwerpen en zou willen weten waar de warmte daarin zou kunnen ontstaan, zou ik willen weten waar de stroomlijnen worden bekneld. Onze techniek kan helpen bij het ontwerpen van circuits en inschatten wat je moet vermijden en suggereert dat je dit moet doen geen scherpe bochten in uw draden hebben. Draden moeten geleidelijk gebogen worden. Maar dat is op dit moment niet de stand van de techniek."

Meer informatie: David Mayes et al., In kaart brengen van de intrinsieke fotostroomstroomlijnen via micromagnetische heterostructuurapparaten, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2221815120
Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Universiteit van Californië - Riverside

Gabor zei dat het team laserbeeldvorming combineerde met nieuwe lichtgevoelige apparaten om de eerste beelden te bedenken van fotostroomstroomlijnen door een werkend apparaat. Een fotostroom is een elektrische stroom die wordt geïnduceerd door de werking van licht.

"Als je weet hoe de elektronen stromen, kun je weten hoe je kunt voorkomen dat ze schadelijke effecten veroorzaken, zoals het opwarmen van het circuit", zei Gabor. "Met onze techniek kun je nu precies beoordelen waar en hoe de elektronen stromen, waardoor we een krachtig hulpmiddel hebben om de ladingsstroom in opto-elektronische apparaten te visualiseren, karakteriseren en meten."

Het onderzoeksartikel is getiteld "Mapping the intrinsic photocurrent streamlines through micromagnetic heterostructure devices" en verschijnt in de Proceedings of the National Academy of Sciences .

Gabor legde uit dat wanneer elektronen kinetische energie verkrijgen, ze opwarmen. Uiteindelijk verwarmen ze het materiaal om hen heen, zoals draden die kunnen smelten.

"Als je een hittepiek in je computer krijgt, beginnen je circuits te sterven", zei hij. "Dit is de reden waarom onze computers worden uitgeschakeld als ze oververhit raken. Dit is om circuits te beschermen die beschadigd kunnen raken door alle warmte die in de metalen vrijkomt."

De onderzoekers ontwierpen micromagnetische vleugelvormige apparaten, electrofoils genaamd, waarmee ze stroomlijnen van elektronische lading nauwkeurig konden verdraaien, comprimeren en decomprimeren. Credit:UCR/QMO Lab

Het team van Gabor ontwierp de elektrofoils in het laboratorium als kleine vleugelvormen in apparaten op nanoschaal die de elektronen eromheen laten stromen, vergelijkbaar met hoe luchtmoleculen rond een vliegtuigvleugel stromen.

"We wilden een vorm die ons verschillende draaisnelheden kon geven, iets met een continue kromming", zei Gabor.

"We lieten ons inspireren door vliegtuigvleugels, die een geleidelijke kromming hebben. We dwongen de stroom om rond de elektrofoil te stromen, die verschillende vlieghoeken biedt. Hoe scherper de hoek, hoe meer de compressie van de stroomlijnen. In steeds meer materialen beginnen we te ontdekken dat elektronen zich als vloeistoffen gedragen. Dus in plaats van apparaten te ontwerpen op basis van bijvoorbeeld elektrische weerstand, kunnen we een aanpak kiezen met loodgieterswerk in gedachten en pijpleidingen ontwerpen waar elektronen doorheen kunnen stromen."

In hun experimenten gebruikten Gabor en zijn collega's een microscopiemethode die gebruik maakt van een uniform roterend magnetisch veld om fotostroomstroomlijnen in beeld te brengen door ultradunne apparaten gemaakt van een laag platina op yttrium-ijzer-granaat, of YIG. YIG is een isolator, maar zorgt voor een magnetisch veldeffect wanneer er een dun laagje platina op wordt geplakt.

"Het magnetische veldeffect treedt alleen op op het grensvlak van dit granaatkristal en platina", zei Gabor. "Als je het magnetische veld kunt beheersen, beheers je de stroom."

Om een fotostroom in een gewenste richting te genereren, richtten de onderzoekers een laserstraal op YIG, waarbij de laser als lokale warmtebron diende. Een effect dat bekend staat als het "foto-Nernst-effect" genereert de fotostroom waarvan de richting wordt bepaald door het externe magnetische veld.

"Directe beeldvorming om fotostroomstroomlijnen in kwantum-opto-elektronische apparaten te volgen blijft een belangrijke uitdaging bij het begrijpen van het gedrag van exotische apparaten", aldus Gabor. "Onze experimenten laten zien dat fotostroomstroomlijnmicroscopie een robuust nieuw experimenteel hulpmiddel is om fotostroom in kwantummaterialen te visualiseren. Dit hulpmiddel helpt ons te kijken hoe elektronen zich slecht gedragen."

Gabor legde uit dat het algemeen bekend is dat elektronen zich onder specifieke omstandigheden op "rare manieren" gedragen, vooral in zeer kleine apparaten.

"Onze techniek kan nu worden gebruikt om ze beter te bestuderen", zei hij. "Als ik een geïntegreerd circuit zou proberen te ontwerpen en zou willen weten waar de warmte daarin zou kunnen ontstaan, zou ik willen weten waar de stroomlijnen worden bekneld. Onze techniek kan helpen bij het ontwerpen van circuits en inschatten wat je moet vermijden en suggereert dat je dit moet doen geen scherpe bochten in uw draden hebben. Draden moeten geleidelijk gebogen worden. Maar dat is op dit moment niet de stand van de techniek."

Meer informatie: David Mayes et al., In kaart brengen van de intrinsieke fotostroomstroomlijnen via micromagnetische heterostructuurapparaten, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2221815120
Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Universiteit van Californië - Riverside

Studie onderzoekt de mechanische eigenschappen van molybdeendisulfide nanolinten met fauteuilranden

Het nauwkeurig rangschikken van nanodeeltjes om plasmonische moleculen te ontwikkelen

Hoofdlijnen

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Wetenschap © https://nl.scienceaq.com