Электронные устройства теряют энергию в виде тепла из-за движения электронов. Теперь благодаря прорыву в области наноинженерии появился новый тип переключателя, который по своим характеристикам не уступает лучшим традиционным конструкциям, но при этом потребляет меньше энергии, чем современная электроника.
Исследователи из Мичиганского университета добились того, к чему учёные стремились долгое время: они создали электронику, в которой вместо электронов используются экситоны — пары электронов и соответствующих им дырок (отсутствующих электронов), которые связаны вместе и образуют нейтральную по заряду частицу.
В недавно разработанном наноинженерном оптоэкситонном (NEO) устройстве использовался монослой диселенида вольфрама (WSe2) на коническом нановыступе из диоксида кремния (SiO2). В переключателе потери снизились на 66 % по сравнению с традиционными переключателями, а коэффициент включения–выключения при комнатной температуре превысил 19 дБ, что сопоставимо с лучшими электронными переключателями, представленными на рынке.
Результаты исследования опубликованы в ACS Nano.
Движение электронов в проводнике не всегда происходит беспрепятственно. Несмотря на то, что проводящие материалы позволяют электронам проходить через них, они в некоторой степени препятствуют их движению. Из-за сопротивления движению часть энергии электронов преобразуется в тепловую энергию. Именно из-за этого выделения энергии в виде тепла нагреваются ноутбуки, смартфоны и другая бытовая электроника.
Поскольку экситоны не несут электрического заряда, они значительно сокращают потери энергии и повышают эффективность. Однако учёным сложно управлять экситонами, поскольку они не имеют заряда, что затрудняет их быстрое перемещение в контролируемом направлении на достаточно большие расстояния для практического применения, например в переключателях.
Эта установка позволила исследователям решить давние проблемы, обеспечив сильное взаимодействие между светлыми и тёмными экситонами (экситонами, которые не излучают свет). В результате возник квантовый эффект, который может заставить всю популяцию экситонов перемещаться дальше и быстрее — на 400 % быстрее, чем в популярных экситонных проводниках.