Новое устройство, названное «оптоэкзитонным переключателем», может стать основой для нового поколения гаджетов – от смартфонов и компьютеров до квантовых систем и дата-центров, работающих без выделения избыточного тепла.
Как и традиционные электронные переключатели, управляющие потоком заряженных частиц, оптоэкзитонный аналог направляет энергию и сигналы. Однако ключевое отличие – в использовании нейтральных квазичастиц, экситонов. В отличие от электронов, они не генерируют тепло при передаче данных, что решает проблему перегрева в высокопроизводительных устройствах.
Экситоны образуются при возбуждении электрона, который покидает атом, оставляя после себя положительно заряженную «дыру». Связанные электрон и дырка формируют нейтральную квазичастицу. Отсутствие заряда исключает резистивный нагрев, что подтверждено в исследовании, опубликованном 31 августа в журнале ACS Nano.
Сила света и точность расчетов
По словам Парага Деотаре, соавтора работы и профессора Мичиганского университета, экситонные схемы позволят отказаться от систем охлаждения в ноутбуках и увеличить время автономной работы смартфонов в разы. Однако главной инженерной задачей стало управление нейтральными экситонами. Ученые использовали фотоны, создавая «дорожку» для их движения. Эксперименты показали, что критически важна точная толщина материала – «магическая толщина», при которой экситоны начинают упорядоченно двигаться под воздействием света.
«Слишком толстый слой разрушает связь света с экситонами, слишком тонкий – не дает им смещаться. Мы нашли идеальный баланс», – объясняет соавтор Маккилло Кира. Изменение цвета экситонов вдоль дорожки подтвердило успех эксперимента.
Перспективы и вызовы
Уже сейчас оптоэкзитонные переключатели превосходят традиционные аналоги по эффективности, но до массового внедрения потребуются годы. Необходимы новые материалы, методы микрофабрикации и интеграции в существующие системы. Однако потенциал огромен: уменьшение размеров устройств, кратный рост производительности и экологичность. Например, дата-центры, потребляющие сегодня до 3% мировой электроэнергии, смогут сократить затраты на охлаждение до нуля.
«Это не просто эволюция, а смена парадигмы, – заключает Деотаре. – Представьте квантовые компьютеры размером с часовой чип или смартфоны, работающие неделями. Мы на пороге новой эры электроники».
