Sendvič konstrukcija za energetski učinkovitu ekcitonsku elektroniku

Najnovije otkriće istraživača s Australskog nacionalnog sveučilišta pokazalo je robusno širenje ekscitona pomiješanog sa svjetlošću koja odskače između visokokvalitetnih zrcala.

Protok bez gubitka energije

Konvencionalna elektronika oslanja se na protočne elektrone ili “rupe” (rupa je odsutnost elektrona, tj. pozitivno nabijena kvazičestica). Međutim, glavno polje buduće elektronike umjesto toga se fokusira na uporabu ekscitona. Oni bi, u načelu, mogli teći u poluvodiču bez gubitka energije tvoreći superfluidno stanje. A ekscitoni u novim, aktivno proučavanim atomski tankim poluvodičima stabilni su na sobnoj temperaturi.

Mikro šupljine su strukture u mikrometarskom mjerilu s optičkim medijem smještenim između ultrarefleksnih ogledala, koje se koriste za ograničavanje svjetlosti tako da tvore eksciton-polaritone
Mikro šupljine su strukture u mikrometarskom mjerilu s optičkim medijem smještenim između ultrarefleksnih ogledala, koje se koriste za ograničavanje svjetlosti tako da tvore eksciton-polaritone

Atomski tanki poluvodiči stoga su obećavajuća klasa materijala za primjenu u tranzistorima i senzorima. Međutim, upravo zato što su tako tanki, na njihova svojstva, uključujući tok ekscitona, snažno utječu poremećaji ili nedostaci koji se mogu pojaviti tijekom proizvodnje.

Nova hibridna čestica

Istraživači su ekscitone u atomski tankom materijalu spojili sa svjetlom kako bi prvi put demonstrirali njihovo širenje bez rasipanja energije. Kad se eksciton (materija) veže s fotonom (svjetlom), nastaje nova hibridna čestica: eksciton-polariton. 


Novi postupak izrade optičke mikro šupljine (optical microcavity) u “sendviču” omogućio je istraživačima da minimiziraju oštećenja atomski tankog poluvodiča i povećaju interakciju između ekscitona i fotona. Eksciton-polaritoni nastali u ovoj strukturi mogli su se širiti bez rasipanja energije kroz desetke mikrometara, tipičnu skalu elektroničkog mikročipa.


Ključ je u mikro šupljini

Visokokvalitetna optička mikro šupljina koja osigurava dugovječnost svjetlosne (fotonske) komponente eksciton-polaritona ključ je ovih opažanja. Studija je otkrila da se eksciton-polaritoni mogu učiniti iznimno stabilnima ako se mikro šupljina izgradi na poseban način, izbjegavajući oštećenje krhkog poluvodiča utisnutog između ogledala tijekom izrade.

“Izrada mikro šupljine bila ključna, a izbor atomski tankog materijala u kojem putuju ekscitoni daleko je manje važan”, kaže vodeći autor Matthias Wurdack koji je u eksperimentu koristio volfram sulfid (WS2), ali vjeruje da bi i drugi atomski tanki TMDC materijali također služili svrsi.

Parovi elektronskih rupa u atomski tankom volfram sulfidu (lijevo). Hibridizacija ekscitona i fotona dovodi do stvaranja polaritona u potpuno dielektričnoj optičkoj mikro šupljini (desno)
Parovi elektronskih rupa u atomski tankom volfram sulfidu (lijevo). Hibridizacija ekscitona i fotona dovodi do stvaranja polaritona u potpuno dielektričnoj optičkoj mikro šupljini (desno)

“Pravljenje sendviča”

Tim je izradio mikro šupljinu slažući komponente jednu po jednu. Prvo se izrađuje donje ogledalo mikro šupljine, zatim se na njega postavlja poluvodički sloj, a mikro šupljina se dovršava postavljanjem drugog zrcala na vrh. Gornju zrcalnu strukturu nisu stavili izravno na krhki atomski tanki poluvodič, koji se lako ošteti tijekom bilo kojeg procesa taloženja materijala.

“Umjesto toga, cijelu gornju strukturu izrađujemo zasebno, a zatim je postavljamo na vrh poluvodiča mehanički, poput pravljenja sendviča”, kaže Matthias. “Tako izbjegavamo bilo kakvo oštećenje atomski tankog poluvodiča i čuvamo svojstva njegovih ekscitona.”


Savršeno očuvana ukupna energija

Zračni jaz između dva ogledala čini ih strogo paralelnima. Ovaj klin u mikro šupljini stvara nagib za eksciton-polaritone, pri čemu se čestice kreću gore ili dolje po nagibu. Istraživači su otkrili da dio eksciton-polaritona putuje uz očuvanje ukupne energije. Putujući niz kosinu, potencijalnu energiju pretvaraju u jednaku količinu kinetičke energije, i obrnuto. Savršeno očuvanje ukupne energije znači da se energija ne gubi u toplini zbog trenja. 

Istraživači s Australskog nacionalnog sveučilišta
Istraživači s Australskog nacionalnog sveučilišta

Istraživači su potvrdili da se eksciton-polaritoni mogu širiti u atomski tankom poluvodiču desecima mikrometara, što je dovoljno lako za funkcionalnu elektroniku. Štoviše, eksciton-polaritoni uspjeli su sačuvati svoju unutarnju koherentnost, što znači da su potencijalni nositelji informacija.

“Ovaj koherentni transport na velike udaljenosti postignut je pri sobnoj temperaturi, što je važno za razvoj praktične primjene atomski tankih poluvodiča”, zaključuje Wurdack.