Este chip puede mover excitones con ondas acústicas. El logro allana el camino para construir dispositivos eficientes que utilicen excitones para aplicaciones en comunicación y procesamiento de datos, detección y conversión de energía. Crédito: Silvia Cardarelli
Una cuasipartícula que se forma en los semiconductores ahora se puede mover a temperatura ambiente, según ha demostrado un estudio dirigido por la Universidad de Michigan. El hallazgo podría enfriar las computadoras, permitiendo velocidades más rápidas y mayores eficiencias, y potencialmente hacer que los LED y los paneles solares sean más eficientes.
Los dispositivos electrónicos actuales dependen de los electrones para mover tanto la energía como la información, pero aproximadamente la mitad de esa energía se desperdicia en forma de calor debido a la resistencia eléctrica. Los excitones, que escapan a las pérdidas eléctricas tradicionales, son una alternativa potencial.
«Si piensas en las últimas dos décadas, las computadoras siempre han estado a dos o tres gigahercios, nunca aumentan la velocidad. Y esa es la razón. Simplemente hace demasiado calor», dijo Parag Deotare, profesor asistente de ingeniería eléctrica y informática y autor correspondiente del estudio.
«Pero los transistores pueden ir más rápido si uno puede eliminar el exceso de calor rápidamente. Si solo reduce las pérdidas de energía de comunicación, entonces su velocidad de procesamiento aumenta automáticamente. El uso de excitones teóricamente puede reducir esas pérdidas de manera significativa».
Un excitón es un electrón cargado negativamente y un «agujero» cargado positivamente que se unen como una sola partícula. Los excitones se forman cuando los semiconductores absorben la luz, expulsando un electrón de su lugar en el cristal semiconductor y creando un agujero, como en una celda solar. O pueden inducirse a través de la electricidad, como en una luz LED o quizás en un futuro procesador de computadora. Pero debido a que son de carga neutra, los excitones no se pueden mover con diferencias en el potencial eléctrico como lo hacen los electrones.
La solución demostrada por Deotare y su equipo, incluidos los colaboradores del Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón, son las ondas acústicas que atraviesan el material. Demostraron que los excitones pueden «navegar» por estas ondas, viajando de un lugar a otro en un chip semiconductor. Deotare sugiere que el control de los excitones de esta manera podría permitir la comunicación de datos, lo que posiblemente llevaría a la sustitución del transistor.
«La capacidad de dirigir excitones allana el camino para aplicaciones futuras emocionantes que incluyen conversión de energía eficiente, detección y temperatura ambiente, procesamiento y comunicación de información excitónica en el chip», dijo Kanak Datta, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática y líder autor del estudio.
En las células solares, sacar los excitones de la capa relativamente gruesa de semiconductor que absorbe fotones, o partículas de luz, y los convierte en excitones. Si los excitones pueden moverse a una capa delgada antes de separar los electrones y los huecos, la energía podría convertirse en electricidad de manera más eficiente.
De manera similar, en los LED, los excitones en movimiento podrían reducir la cantidad de luz que se pierde dentro del LED. Los excitones podrían alejarse de los electrodos hacia un área diseñada para extraer la luz del semiconductor antes de permitir que los electrones y los huecos se combinen y produzcan un fotón.
«Nuestro método ofrece capacidad de ajuste y flexibilidad para diseñar el transporte de excitones para aplicaciones particulares, así como un diseño fabricable», dijo Zhengyang Lyu, estudiante de doctorado en física aplicada y segundo autor del artículo.
Hasta hace poco, los intentos de controlar los excitones se habían relegado a temperaturas criogénicas: a temperatura ambiente, los electrones y los huecos se deshacen rápidamente. Pero los nuevos semiconductores «2D» hechos de capas de cristal único cambiaron eso, particularmente una clase de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición, un nombre que describe de dónde provienen los componentes en la tabla periódica.
El grupo de Deotare usó uno de estos, diseleniuro de tungsteno, para apoyar a los excitones. Para crear las ondas acústicas para el surf, colocaron ese semiconductor de una sola capa sobre un material que se estira y contrae en presencia de un campo eléctrico, el niobato de litio.
Usaron un conjunto de electrodos en el niobato de litio para crear un campo eléctrico ondulante, que generó las ondas acústicas. Debido a que el campo eléctrico podría dividir los electrones y los huecos que forman los excitones, el equipo protegió el diseleniuro de tungsteno con capas de nitruro de boro.
«Lo que estamos haciendo en este momento nos permitirá tener una computadora que puede operar a una velocidad mucho mayor, consumir menos energía y construirse a una escala muy pequeña», dijo Zidong Li, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática. .
El estudio se publica en Fotónica de la naturaleza.
Hacia la Straintronics: guía de excitones en materiales 2D
Kanak Datta et al, Transporte de excitones a temperatura ambiente controlado espaciotemporalmente bajo tensión dinámica, Fotónica de la naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41566-021-00951-3
Citación: ‘Exciton surfing’ podría habilitar la tecnología de energía, computación y comunicaciones de próxima generación (15 de febrero de 2022) recuperado el 15 de febrero de 2022 de https://phys.org/news/2022-02-exciton-surfing-enable-next-gen -energía.html
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