En studie som visar hur elektroner flyter runt skarpa kurvor, som de som finns i integrerade kretsar, har potential att förbättra hur dessa kretsar, som vanligtvis används i elektroniska och optoelektroniska enheter, är utformade.
Det har varit känt teoretiskt i cirka 80 år att när elektroner färdas runt kurvor, tenderar de att värmas upp eftersom deras flödesledningar kläms lokalt. Hittills har dock ingen mätt värmen, för vilken avbildning av flödesledningarna först behövs.
Forskargruppen, ledd av Nathaniel M. Gabor vid University of California, Riverside, avbildade strömlinjer av elektrisk ström genom att designa en "elektrofolie", en ny typ av enhet som möjliggör förvridning, kompression och expansion av strömlinjer av elektriska strömmar på samma sätt förvränger, komprimerar och expanderar flygplanets vingar.
"Elektrisk laddning rör sig på samma sätt som hur luft strömmar över ytan på en flygplansvinge", säger Gabor, professor i fysik och astronomi. "Även om det är lätt att avbilda luftflödet genom att använda till exempel strömmar av rök eller ånga i en vindtunnel, vilket ofta ses i bilreklam, är det mycket svårare att avbilda strömlinjerna för elektriska strömmar."
Gabor sa att teamet kombinerade laseravbildning med nya ljuskänsliga enheter för att komma fram till de första bilderna av fotoströmlinjer genom en fungerande enhet. En fotoström är en elektrisk ström som induceras av ljusets inverkan.
"Om du vet hur elektronerna strömmar kan du sedan veta hur du förhindrar att de orsakar skadliga effekter, som att värma upp kretsen," sa Gabor. "Med vår teknik kan du nu bedöma exakt var och hur elektronerna strömmar, vilket ger oss ett kraftfullt verktyg för att visualisera, karakterisera och mäta laddningsflödet i optoelektroniska enheter."
Forskningsuppsatsen har titeln "Mapping the intrinsic photocurrent streamlines through micromagnetic heterostructure devices" och visas i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Gabor förklarade att när elektroner får kinetisk energi de värms upp. I slutändan värmer de materialet runt dem, till exempel trådar som kan riskera att smälta.
"Om du får en värmespets i din dator börjar dina kretsar dö", sa han. "Det här är anledningen till att när våra datorer överhettas stängs de av. Det är för att skydda kretsar som kan skadas på grund av all värme som försvinner i metallerna."
Gabors team designade elektrofoilerna i labbet som små vingformer i enheter i nanoskala som får elektronerna att flöda runt dem, liknande hur luftmolekyler flödar runt en flygplansvinge.
"Vi ville ha en form som kunde ge oss olika svänghastigheter, något med en kontinuerlig krökning", sa Gabor.
"Vi hämtade inspiration från flygplansvingar, som har en gradvis kurva. Vi tvingade strömmen att flyta runt elektrofoilen, som erbjuder olika flygvinklar. Ju skarpare vinkel, desto mer kompression av flödeslinjerna. I allt fler material , vi börjar upptäcka att elektroner beter sig som vätskor, så snarare än att designa enheter baserade på, säg, elektriskt motstånd, kan vi anta ett tillvägagångssätt med VVS i åtanke och designa rörledningar för elektroner att flöda igenom."
I sina experiment använde Gabor och hans kollegor en mikroskopimetod som använder ett enhetligt roterande magnetfält för att avbilda fotoströmlinjer genom ultratunna enheter gjorda av ett lager av platina på yttriumjärngranat, eller YIG. YIG är en isolator men tillåter en magnetfältseffekt när ett tunt lager av platina limmas på den.
"Den magnetiska fälteffekten visar sig endast vid gränssnittet mellan denna granatkristall och platina," sa Gabor. "Om du kan styra magnetfältet, styr du strömmen."
För att generera en fotoström i önskad riktning riktade forskarna en laserstråle på YIG, med lasern som en lokal värmekälla. En effekt som kallas "photo-Nernst-effekten" genererar fotoströmmen vars riktning styrs av det externa magnetfältet.
"Direkt avbildning för att spåra fotoströmsströmlinjer i kvantoptoelektroniska enheter är fortfarande en viktig utmaning för att förstå exotiska enheters beteende," sa Gabor. "Våra experiment visar att fotoströmlinjemikroskopi är ett robust nytt experimentellt verktyg för att visualisera en fotoström i kvantmaterial. Det här verktyget hjälper oss att titta på hur elektroner beter sig dåligt."
Gabor förklarade att det är välkänt att elektroner beter sig på "konstiga sätt" under specifika förhållanden, särskilt i mycket små enheter.
"Vår teknik kan nu användas för att bättre studera dem," sa han. "Om jag försökte designa en integrerad krets och ville veta var värme kan komma från den, skulle jag vilja veta var de nuvarande flödesledningarna pressas. Vår teknik kan hjälpa till att designa kretsar och uppskatta vad som ska undvikas och föreslår att du bör inte ha skarpa böjar i dina ledningar, men det är inte den senaste tekniken
Mer information: David Mayes et al, Mapping the intrinsic photocurrent streamlines genom mikromagnetiska heterostrukturenheter, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2221815120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of California - Riverside
