En ny typ av "tråd" för att flytta excitoner, utvecklad vid University of Michigan, kan hjälpa till att möjliggöra en ny klass av enheter, kanske inklusive rumstemperaturkvantdatorer.
Dessutom observerade teamet en dramatisk kränkning av Einsteins relation, som användes för att beskriva hur partiklar spreds ut i rymden, och utnyttjade det för att flytta excitoner i mycket mindre paket än vad som tidigare varit möjligt.
"Naturen använder excitoner i fotosyntesen. Vi använder excitoner i OLED-skärmar och vissa lysdioder och solceller", säger Parag Deotare, medförfattare till studien i ACS Nano handledning av experimentarbetet, samt en docent i elektro- och datateknik. Studien har titeln, Enhanced Exciton-Drift Transport through suppressed Diffusion in One-Dimensional Guides.
"Möjligheten att flytta excitoner dit vi vill kommer att hjälpa oss att förbättra effektiviteten hos enheter som redan använder excitoner och utöka excitonerna till datoranvändning."
En exciton kan ses som en partikel (därav kvasipartikel), men det är egentligen en elektron kopplad till ett positivt laddat tomt utrymme i materialets gitter (ett "hål"). Eftersom en exciton inte har någon elektrisk nettoladdning, påverkas inte rörliga excitoner av parasitiska kapacitanser, en elektrisk interaktion mellan närliggande komponenter i en enhet som orsakar energiförluster.
Excitoner är också lätta att konvertera till och från ljus, så de öppnar vägen för extremt snabba och effektiva datorer som använder en kombination av optik och excitonik, snarare än elektronik.
Den här kombinationen kan hjälpa till att möjliggöra kvantberäkning i rumstemperatur, säger Mackillo Kira, medförfattare till studien som övervakar teorin, och professor i elektro- och datorteknik.
Excitoner kan koda kvantinformation, och de kan hänga på den längre än elektroner kan inuti en halvledare. Men den tiden mäts fortfarande i pikosekunder (10 -12 sekunder) i bästa fall, så Kira och andra funderar på hur man använder femtosekundlaserpulser (10 -15 sekunder) för att bearbeta information.
"Fullständiga kvantinformationstillämpningar förblir utmanande eftersom nedbrytningen av kvantinformation är för snabb för vanlig elektronik," sade han. "Vi utforskar för närvarande ljusvågselektronik som ett sätt att överladda excitonik med extremt snabba bearbetningsmöjligheter."
Men avsaknaden av nettoladdning gör också excitoner mycket svåra att flytta. Tidigare hade Deotare lett en studie som drev excitoner genom halvledare med akustiska vågor. Nu möjliggör en pyramidstruktur mer exakt transport för mindre antal excitoner, begränsade till en dimension som en tråd.
Teamet använde en laser för att skapa ett moln av excitoner i ett hörn av pyramidens bas, som studsar elektroner ut ur valensbandet hos en halvledare in i ledningsbandet - men de negativt laddade elektronerna attraheras fortfarande till de positivt laddade hålen som lämnas kvar i valensbandet. Halvledaren är ett enda lager volframdiselenid-halvledare, bara tre atomer tjock, draperad över pyramiden som en stretchig duk. Och sträckningen i halvledaren förändrar energilandskapet som excitonerna upplever.
Det verkar kontraintuitivt att excitonerna ska åka uppför pyramidens kant och slå sig ner på toppen när vi föreställer oss ett energilandskap som huvudsakligen styrs av gravitationen. Men istället styrs landskapet av hur långt från varandra halvledarens valens- och ledningsband är. Energigapet mellan de två, även känt som halvledarens bandgap, krymper där halvledaren sträcks ut. Excitonerna migrerar till det lägsta energitillståndet, leds upp på pyramidens kant där de sedan stiger till sin topp.
Vanligtvis är en ekvation skriven av Einstein bra på att beskriva hur ett gäng partiklar diffunderar utåt och driver. Halvledaren var dock ofullkomlig, och dessa defekter fungerade som fällor som kunde fånga några av excitonerna när de försökte glida förbi. Eftersom defekterna på den bakre sidan av excitonmolnet fylldes i, diffunderade den sidan av fördelningen utåt som förutspått. Framkanten sträckte sig dock inte så långt. Einsteins relation minskade med mer än en faktor 10.
"Vi säger inte att Einstein hade fel, men vi har visat att vi i komplicerade fall som detta inte borde använda hans relation för att förutsäga rörligheten av excitoner från diffusionen", säger Matthias Florian, medförfattare till studien och en forskarutredare inom el- och datateknik, som arbetar under Kira.
För att direkt mäta båda behövde teamet detektera enstaka fotoner, som sänds ut när de bundna elektronerna och hålen spontant rekombinerade. Med hjälp av flygtidsmätningar tog de också reda på var fotonerna kom ifrån tillräckligt exakt för att mäta fördelningen av excitoner inom molnet.
Pyramidstrukturen byggdes i Lurie Nanofabrication Facility. Teamet har ansökt om patentskydd med hjälp av U-M Innovation Partnerships och söker partners för att få ut tekniken på marknaden.
Mer information: Zidong Li et al, Enhanced Exciton Drift Transport through Suppressed Diffusion in One-Dimensional Guides, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04870
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av University of Michigan
