Eine neue Nanostruktur fungiert wie ein Draht und Schalter, der erstmals den Fluss von Quantenquasiteilchen, sogenannten Exzitonen, bei Raumtemperatur steuern und lenken kann. Der von Ingenieuren der University of Michigan entwickelte transistorähnliche Schalter könnte die Informationsübertragung beschleunigen oder sogar Schaltkreise ermöglichen, die mit Exzitonen anstelle von Elektrizität betrieben werden – und damit den Weg für eine neue Klasse von Geräten ebnen. Da sie keine elektrische Ladung haben, können Exzitonen Quanteninformationen ohne die Verluste transportieren, die bei der Bewegung elektrisch geladener Teilchen wie Elektronen auftreten. Diese Verluste führen dazu, dass Mobiltelefone und Computer während des Betriebs Wärme erzeugen.
„Man sieht, dass die Grenzen der Elektronik jetzt erreicht sind, da KI und andere anspruchsvolle Berechnungen Energie verbrauchen und wie verrückt Wärme erzeugen. Würden große Rechenzentren stattdessen mit Exzitonen betrieben, gäbe es diesen enormen Energieverbrauch nicht mehr“, sagte Mack Kira, Mitautor der Studie in ACS Nano, Leiter der Theorieabteilung und Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik.
Quantenquasiteilchen zwischen Physik und Alltagstechnologien
Obwohl Exzitonen weniger bekannt sind als Elektronen, werden sie bereits häufig für die Energieumwandlung eingesetzt – beispielsweise in Leuchten, Solarzellen und vielem mehr. Die Entwicklung des neuen Geräts wurde teilweise vom Forschungsbüro der US-Armee und dem Büro für wissenschaftliche Forschung der US-Luftwaffe finanziert.
„Die Displays unserer Mobiltelefone arbeiten mit organischen LEDs, die alle auf Exzitonen basieren“, sagte Parag Deotare, Mitautor, Leiter der experimentellen Arbeit und außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik. „Pflanzen wandeln sogar Licht in Exzitonen für die Photosynthese um und transportieren dieses Quantenenergiepaket dann dorthin, wo es benötigt wird, bevor sie es in chemische Energie umwandeln.“
Exzitonen entstehen in Halbleitern, wenn eine Energiequelle ein Elektron anregt, wodurch es vom Grundzustand in einen angeregten Zustand springt – ähnlich wie beim Springen auf einer Sprosse einer Leiter. Wenn das Elektron springt, hinterlässt es eine positiv geladene Lücke oder ein „Loch”. Das negativ geladene Elektron und das positiv geladene Loch ziehen sich gegenseitig an und bewegen sich als Paar, wobei sie zusammen ein neutral geladenes Exziton bilden.
Die neutrale Ladung eines Exzitons ermöglicht zwar eine verlustfreie Bewegung, hat aber einen Nachteil: Es ist schwierig, Exzitonen gezielt zu bewegen. Negativ geladene Elektronen lassen sich leicht in einem Strom lenken, da sie von einer positiv geladenen Elektrode angezogen werden, aber das funktioniert bei neutralen Teilchen nicht.
Transistorähnlicher Schalter bringt Exzitonen unter Kontrolle
Um ein Gerät zu entwickeln, mit dem Exzitonen manipuliert werden können, stützte sich das Team auf einen zuvor entwickelten Ansatz, bei dem eine Energielandschaft im Raum geschaffen wird, die Exzitonen entlang einer physikalischen Kante zieht – dem Exziton-Äquivalent eines Drahtes. Teil der neuen Entwicklung ist die Steuerung des Exzitonflusses mit Elektroden, die auf beiden Seiten der Kante positioniert sind und wie ein Tor wirken.
„Wenn die Elektroden eingeschaltet werden, erzeugt die Spannung eine Energiebarriere, die die Bewegung der Exzitonen verhindert. Wenn die Spannung ausgeschaltet wird, fließen die Exzitonen wieder. Ein solcher Schalter wurde bisher noch nicht realisiert“, sagte Zhaohan Jiang, Doktorand der Elektrotechnik und Informatik an der U-M und Hauptautor der Studie.
Während der Tests zeigte das Gerät ein Ein-Aus-Schaltverhältnis von über 19 Dezibel, was einen ausreichend großen Unterschied darstellt, um fortschrittliche optoelektronische Anwendungen wie Hochgeschwindigkeits-On-Chip-Datenübertragungsverbindungen zu unterstützen, die in modernen Supercomputern, Rechenzentren, KI-fähigen Smartphones und Wearables, autonomen Fahrzeugen, digitalen Zwillingen und vielem mehr zum Einsatz kommen.
Der andere Teil des neuen Ansatzes besteht darin, dass Licht verwendet wird, um die Exzitonen in die richtige Richtung zu lenken, wodurch das Gerät zu einem „optoexzitonischen“ Schalter wird. Zusätzlich zur Erzeugung der Exzitonen durch den Energiesprung der Elektronen koppelt sich das Licht mit den Exzitonen und hilft, sie entlang der Kante zu treiben. Zusammen haben die Kammstruktur und die Lichtinteraktion die Exzitonen bei Raumtemperatur in weniger als einer halben Nanosekunde erfolgreich in eine einzige Richtung bis zu 4 μm weit transportiert. Als nächsten Schritt will das Team Hunderte von Exzitonschaltern miteinander verbinden.
Perspektiven für Rechenzentren, KI und Hochgeschwindigkeitskommunikation
„Diese Technologie könnte zwar mit zunehmender Reife zu einem optoexzitonen Schaltkreis werden, aber ich sehe zunächst eine Verbesserung der Schnittstelle zwischen Photonik und Elektronik, was die Verarbeitung und Kommunikation beschleunigen wird“, sagte Deotare.
Ein solcher Fortschritt könnte entscheidend sein, um die schnell steigende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung in Rechenzentren und möglicherweise auch in KI- und maschinellen Lernanwendungen zu befriedigen. Das Team hat mit Unterstützung von U-M Innovation Partnerships einen Patentschutzantrag gestellt.
