Um novo tipo de “fio” para mover excitons, desenvolvido na Universidade de Michigan, poderia ajudar a habilitar uma nova classe de dispositivos, talvez incluindo computadores quânticos à temperatura ambiente.



Além do mais, a equipe observou uma violação dramática da relação de Einstein, usada para descrever como as partículas se espalham no espaço, e aproveitou-a para mover excitons em pacotes muito menores do que era possível anteriormente.

"A natureza usa excitons na fotossíntese. Usamos excitons em telas OLED e alguns LEDs e células solares", disse Parag Deotare, co-autor correspondente do estudo na ACS Nano supervisionando os trabalhos experimentais e professor associado de engenharia eletrotécnica e de computadores. O estudo é intitulado Transporte aprimorado de deriva de exciton por meio de difusão suprimida em guias unidimensionais.

"A capacidade de mover excitons para onde quisermos nos ajudará a melhorar a eficiência de dispositivos que já usam excitons e a expandir os excitons para a computação."

Um exciton pode ser considerado uma partícula (portanto, uma quase-partícula), mas na verdade é um elétron ligado a um espaço vazio com carga positiva na rede do material (um “buraco”). Como um exciton não tem carga elétrica líquida, os excitons em movimento não são afetados por capacitâncias parasitas, uma interação elétrica entre componentes vizinhos em um dispositivo que causa perdas de energia.

Os excitons também são fáceis de converter de e para luz, abrindo caminho para computadores extremamente rápidos e eficientes que usam uma combinação de óptica e excitônica, em vez de eletrônica.

Esta combinação poderia ajudar a permitir a computação quântica à temperatura ambiente, disse Mackillo Kira, co-autor correspondente do estudo que supervisiona a teoria, e professor de engenharia elétrica e de computação.

Os excitons podem codificar informações quânticas e podem mantê-las por mais tempo do que os elétrons dentro de um semicondutor. Mas esse tempo ainda é medido em picossegundos (10 ^-12 segundos) na melhor das hipóteses, então Kira e outros estão descobrindo como usar pulsos de laser de femtossegundos (10 ^-15 segundos) para processar informações.

“Aplicações completas de informação quântica continuam desafiadoras porque a degradação da informação quântica é muito rápida para a eletrônica comum”, disse ele. "Atualmente estamos explorando a eletrônica de ondas luminosas como um meio de sobrecarregar os excitônicos com capacidades de processamento extremamente rápidas."

No entanto, a falta de carga líquida também torna os excitons muito difíceis de mover. Anteriormente, Deotare liderou um estudo que empurrou excitons através de semicondutores com ondas acústicas. Agora, uma estrutura piramidal permite um transporte mais preciso para um número menor de excitons, confinados a uma dimensão como um fio.

Funciona assim

A equipe usou um laser para criar uma nuvem de excitons em um canto da base da pirâmide, fazendo com que os elétrons saíssem da banda de valência de um semicondutor para a banda de condução - mas os elétrons carregados negativamente ainda são atraídos pelos buracos carregados positivamente deixados para trás. a banda de valência. O semicondutor é uma única camada de semicondutor de disseleneto de tungstênio, com apenas três átomos de espessura, colocada sobre a pirâmide como um pano elástico. E o estiramento no semicondutor muda o cenário energético que os excitons experimentam.

Parece contra-intuitivo que os excitons subam pela borda da pirâmide e se estabeleçam no topo quando imaginamos uma paisagem energética governada principalmente pela gravidade. Mas, em vez disso, a paisagem é governada pela distância entre as bandas de valência e de condução do semicondutor. A lacuna de energia entre os dois, também conhecida como banda proibida do semicondutor, diminui onde o semicondutor é esticado. Os excitons migram para o estado de energia mais baixo, canalizados para a borda da pirâmide, onde então sobem até o seu pico.

Normalmente, uma equação escrita por Einstein é boa para descrever como um grupo de partículas se difunde para fora e se desloca. No entanto, o semicondutor era imperfeito e esses defeitos funcionavam como armadilhas que prenderiam alguns dos excitons enquanto tentavam passar. Como os defeitos no lado posterior da nuvem de excitons foram preenchidos, esse lado da distribuição difundiu-se para fora conforme previsto. A vanguarda, no entanto, não se estendeu tão longe. A relação de Einstein estava errada em mais de um fator de 10.

"Não estamos dizendo que Einstein estava errado, mas mostramos que em casos complicados como este, não deveríamos usar sua relação para prever a mobilidade dos excitons da difusão", disse Matthias Florian, coautor do artigo. o estudo e um investigador pesquisador em engenharia elétrica e de computação, trabalhando com Kira.

Para medir ambos diretamente, a equipe precisava detectar fótons únicos, emitidos quando os elétrons e lacunas ligados se recombinavam espontaneamente. Usando medições de tempo de voo, eles também descobriram de onde vinham os fótons com precisão suficiente para medir a distribuição de excitons dentro da nuvem.

A estrutura piramidal foi construída nas Instalações de Nanofabricação de Lurie. A equipa solicitou proteção de patente com a ajuda das Parcerias de Inovação da U-M e está à procura de parceiros para levar a tecnologia ao mercado.

Mais informações: Zidong Li et al, Enhanced Exciton Drift Transport through Suppressed Diffusion in One-Dimensional Guides, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04870
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido pela Universidade de Michigan