Sandwich-style建设:对ultra-low-energy激子电子产品

• 新微腔施工技术允许观察健壮,室温激子运输
• 极化声子性能优化,最大化photon-exciton能量交换,单层的损失最小化

一个新的“sandwich-style”制造过程两个镜子之间放置一个半导体只有一个原子薄允许澳大利亚研究人员做出重大一步超低能量电子基于混合粒子exciton-polaritons件轻松事。

澳大利亚国立大学领导的突破,展示了强劲,dissipationless传播激子的混合光线之间的高质量的反映。

传统的电子产品依赖于电子流动,或“漏洞”(一个洞是缺少一个电子,即一个带正电荷的准粒子)。

然而,一个主要领域未来的电子小说,而不是使用激子(电子)绑定到一个洞,因为原则上,他们可以在半导体不消耗能量流动,形成一个集体超流体状态。和激子的小说,积极研究atomically-thin半导体在室温下是稳定的。

Atomically-thin半导体是这样一种很有前途的一类材料低能小说晶体管和传感器等应用程序。然而,正是因为它们很薄,它们的属性,包括激子的流动,强烈影响障碍或缺陷,可以制造期间推出。

ANU-led舰队斯文本科技大学大学团队的同事和舰队的伙伴机构弗罗茨瓦夫大学耦合atomically-thin材料中的激子光首次展示他们的远程传播没有任何能量耗散,在室温下。

当一个激子()结合光子(光),它形成了一个新的混合粒子——一个exciton-polariton。捕获光在两条平行的高品质反映在一个光学微腔允许这种情况发生。

在新的研究中,一个新的“sandwich-style”制造过程的光学微腔允许研究人员的损失降到最低atomically-thin半导体和激子和光子之间的相互作用最大化。exciton-polaritons形成在这个结构能够传播能量耗散在几十微米,典型的电子芯片的规模。

微腔结构是关键

一个高质量的光学微腔,确保光(光子)组件的寿命exciton-polaritons这些观察是关键。

研究发现,如果exciton-polaritons可以非常稳定微腔建立在一个特定的方式,避免损害脆弱的半导体夹在制造期间的镜子。

“atomically-thin的选择材料的激子旅行远不那么重要,”马蒂亚斯•戴克说,铅和通讯作者。

“我们发现,建设微腔是关键,”马蒂亚斯说,“虽然我们使用硫化钨(WS₂)在这个实验中,我们相信任何其他atomically-thin TMDC材料也行。”

(过渡金属dichalcogenides激子优秀的主机,主机在室温下稳定的激子和交互强烈光)。

团队建立了微腔通过叠加所有组件。首先,底部微腔镜是捏造的,然后一个半导体层被放置在它,然后完成微腔,另一个镜子。至关重要的是,团队没有直接存款上镜结构上臭名昭著的脆弱atomically-thin半导体,这是任何材料沉积过程中容易受到伤害。

“相反,我们单独制作整个顶部结构,然后把它在半导体机械,像三明治,”马蒂亚斯说。

“因此我们避免任何损害atomically-thin半导体,并保存其激子的性质。”

重要的是,研究人员优化这个夹层的方法使腔很短,它最大化exciton-photon交互。

“我们也受益于意外,”马蒂亚斯说。“制造事故,最终是我们成功的关键!”

偶然的事故采取的形式是一个气隙之间的两个镜子,使他们不严格平行。

这个楔形微腔中创建了一个电压/ exciton-polaritons潜在的“坡度”,与粒子移动向上或向下倾斜。

研究者发现exciton-polaritons旅行的比例与总(潜力和动力)能量守恒,向上和向下倾斜。旅行下斜坡的时候,他们将他们的势能转换成动能相等,反之亦然。

完美的总能量守恒意味着没有失去能量的热(由于“摩擦”),信号的弹道或dissipationless极化声子传输。尽管极化声子在这项研究中不形成一个超流体,没有耗散达到,因为所有的散射过程,导致能量损失被抑制。

“这演示中,第一次,室温极化声子的弹道运输atomically-thin TMDCs未来,是一个重要的一步超低能量exciton-based电子,”教授说组长Elena Ostrovskaya(阿奴)。

除了创造了潜在的“坡度”,同样制造事故为exciton-polaritons创建了一个势阱。这使研究人员能够捕捉和积累的exciton-polaritons旅行必不可少的第一步捕获和指导他们在微芯片上。”

远程,室温exciton-polaritons流动

此外,研究人员证实exciton-polaritons可以传播数十微米的atomically-thin半导体(容易足够远的功能电子产品),没有散射材料缺陷。在这些材料,这与激子的旅行的长度大大减少这些缺陷。

此外,exciton-polaritons能够保存他们的内在一致性(信号之间的相关性在不同空间和时间),这预示着他们的潜在的信息载体。

“这远程,连贯的交通在室温下实现,这是实际应用的重要发展atomically-thin半导体”马蒂亚斯•戴克说。

如果未来的激子的设备是一个可行的、低能耗的替代传统的电子设备,它们必须能够在室温下操作,而不需要能源密集型的冷却。

“事实上,相反,我们的计算表明,传播长度越来越长在更高的温度,这是很重要的对于技术应用程序,”马蒂亚斯说。

这项研究

动态缩小、弹道运输和捕获的室温激子极化声子atomically-thin半导体发表在自然通讯2021年9月(DOI: 10.1038 / s41467 - 021 - 25656 - 7)

以及资助的澳大利亚研究理事会(卓越中心程序)作者也承认样品制造的技术支持澳大利亚国家制造设施(ANFF)节点,行动的支持波兰的基础科学(FNP)开始计划欧洲研究委员会(ERC) UnLimit2D项目。

寻找一个可持续的未来电子/计算

exciton-polaritons dissipationless运输是一个候选人物理现象在实现低能耗的激子晶体管。

Ostrovskaya教授领导舰队2的研究主题,旨在创建exciton-polariton冷凝物(集体,可以显示超流态)atomically-thin半导体实现电流流用最少的能量耗散在拟议的新一代的接近于零电阻,超低能量电子设备,寻求的舰队。

未来低能电子技术中心(船队)是一个超过一百名研究人员合作,寻求开发超低能量电子面临的挑战在计算,使用已消耗了全球8%的电力,每十年翻一倍。

更多的信息

• 联系Elena Ostrovskaya教授(阿奴)elena.ostrovskaya@anu.edu.au
• 访问的极化声子BEC研究小组在阿奴
• 读研究主题2新闻:激子超流体
• 连接@FLEETCentre