Un nuevo tipo de "cable" para mover excitones, desarrollado en la Universidad de Michigan, podría ayudar a habilitar una nueva clase de dispositivos, tal vez incluyendo computadoras cuánticas a temperatura ambiente.
Es más, el equipo observó una dramática violación de la relación de Einstein, utilizada para describir cómo las partículas se propagan en el espacio, y la aprovechó para mover excitones en paquetes mucho más pequeños de lo que antes era posible.
"La naturaleza utiliza excitones en la fotosíntesis. Nosotros utilizamos excitones en pantallas OLED y en algunos LED y células solares", dijo Parag Deotare, coautor del estudio en ACS Nano. supervisando el trabajo experimental y profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática. El estudio se titula Transporte mejorado de deriva de excitones mediante difusión suprimida en guías unidimensionales.
"La capacidad de mover excitones donde queramos nos ayudará a mejorar la eficiencia de los dispositivos que ya usan excitones y a expandir los excitones a la informática".
Se puede pensar en un excitón como una partícula (por lo tanto, una cuasipartícula), pero en realidad es un electrón vinculado a un espacio vacío cargado positivamente en la red del material (un "agujero"). Debido a que un excitón no tiene carga eléctrica neta, los excitones en movimiento no se ven afectados por capacitancias parásitas, una interacción eléctrica entre componentes vecinos en un dispositivo que causa pérdidas de energía.
Los excitones también son fáciles de convertir hacia y desde luz, por lo que abren el camino para computadoras extremadamente rápidas y eficientes que utilizan una combinación de óptica y excitónica, en lugar de electrónica.
Esta combinación podría ayudar a permitir la computación cuántica a temperatura ambiente, afirmó Mackillo Kira, coautor correspondiente del estudio que supervisa la teoría y profesor de ingeniería eléctrica e informática.
Los excitones pueden codificar información cuántica y pueden retenerla por más tiempo que los electrones dentro de un semiconductor. Pero ese tiempo todavía se mide en picosegundos (10 -12 segundos) en el mejor de los casos, por lo que Kira y otros están descubriendo cómo usar pulsos láser de femtosegundos (10 -15 segundos) para procesar la información.
"Las aplicaciones completas de información cuántica siguen siendo un desafío porque la degradación de la información cuántica es demasiado rápida para la electrónica ordinaria", afirmó. "Actualmente estamos explorando la electrónica de ondas de luz como un medio para potenciar los excitónicos con capacidades de procesamiento extremadamente rápidas".
Sin embargo, la falta de carga neta también hace que los excitones sean muy difíciles de mover. Anteriormente, Deotare había dirigido un estudio que impulsaba excitones a través de semiconductores con ondas acústicas. Ahora, una estructura piramidal permite un transporte más preciso para un número menor de excitones, confinados a una dimensión como un cable.
El equipo utilizó un láser para crear una nube de excitones en una esquina de la base de la pirámide, haciendo rebotar electrones fuera de la banda de valencia de un semiconductor hacia la banda de conducción, pero los electrones cargados negativamente todavía son atraídos por los agujeros cargados positivamente que quedan en la pirámide. la banda de valencia. El semiconductor es una sola capa de semiconductor de diseleniuro de tungsteno, de sólo tres átomos de espesor, que cubre la pirámide como una tela elástica. Y el estiramiento en el semiconductor cambia el panorama energético que experimentan los excitones.
Parece contradictorio que los excitones suban por el borde de la pirámide y se establezcan en la cima cuando imaginamos un paisaje energético gobernado principalmente por la gravedad. Pero, en cambio, el panorama se rige por la distancia entre las bandas de valencia y conducción del semiconductor. La brecha de energía entre los dos, también conocida como banda prohibida del semiconductor, se reduce cuando el semiconductor se estira. Los excitones migran al estado de energía más bajo, canalizados hacia el borde de la pirámide, donde luego se elevan hasta su pico.
Por lo general, una ecuación escrita por Einstein es buena para describir cómo un grupo de partículas se difunde hacia afuera y se desplaza. Sin embargo, el semiconductor era imperfecto y esos defectos actuaban como trampas que atrapaban algunos de los excitones cuando intentaban pasar. Debido a que se rellenaron los defectos en el lado posterior de la nube de excitones, ese lado de la distribución se difundió hacia afuera como se predijo. La vanguardia, sin embargo, no llegó tan lejos. La relación de Einstein estaba equivocada en más de un factor de 10.
"No estamos diciendo que Einstein estuviera equivocado, pero hemos demostrado que en casos complicados como este, no deberíamos usar su relación para predecir la movilidad de los excitones a partir de la difusión", dijo Matthias Florian, co-primer autor de el estudio y un investigador en ingeniería eléctrica e informática, trabajando bajo Kira.
Para medir ambos directamente, el equipo necesitaba detectar fotones individuales, emitidos cuando los electrones y los agujeros unidos se recombinaban espontáneamente. Utilizando mediciones del tiempo de vuelo, también descubrieron de dónde procedían los fotones con suficiente precisión como para medir la distribución de los excitones dentro de la nube.
La estructura piramidal se construyó en las instalaciones de nanofabricación de Lurie. El equipo ha solicitado protección de patente con la ayuda de U-M Innovation Partnerships y está buscando socios para llevar la tecnología al mercado.
Más información: Zidong Li et al, Transporte mejorado de deriva de excitones mediante difusión suprimida en guías unidimensionales, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04870
Información de la revista: ACS Nano
Proporcionado por la Universidad de Michigan
