Wie kann der Marvel-Filmcharakter Ant-Man aus seinem kleinen Körper eine so starke Energie erzeugen? Das Geheimnis liegt in den Transistoren seines Anzugs, die schwache Signale für die Verarbeitung verstärken. Transistoren, die elektrische Signale auf herkömmliche Weise verstärken, verlieren Wärmeenergie und begrenzen die Geschwindigkeit der Signalübertragung, was die Leistung beeinträchtigt. Was wäre, wenn es möglich wäre, solche Einschränkungen zu überwinden und einen Hochleistungsanzug herzustellen, der leicht und klein ist, aber ohne Wärmeenergieverlust?
Ein POSTECH-Team von Professor Kyoung-Duck Park und Yeonjeong Koo von der Fakultät für Physik und ein Team von der ITMO-Universität in Russland unter der Leitung von Professor Vasily Kravtsov haben gemeinsam einen nano-exzitonischen Transistor unter Verwendung von Intralayer- und Interlayer-Exzitonen in heterostrukturbasierten Halbleitern entwickelt, der adressiert die Einschränkungen bestehender Transistoren. Die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht ACS-Nano.
Exzitonen sind für die Lichtemission von Halbleitermaterialien verantwortlich und aufgrund der freien Umwandlung zwischen Licht und Material in ihren elektrisch neutralen Zuständen der Schlüssel zur Entwicklung eines lichtemittierenden Elements der nächsten Generation mit geringerer Wärmeentwicklung und einer Lichtquelle für die Quanteninformationstechnologie.
Es gibt zwei Arten von Exzitonen in einer Halbleiter-Heterodoppelschicht, die ein Stapel aus zwei verschiedenen Halbleiter-Monoschichten ist: die Intraschicht-Exzitonen mit horizontaler Richtung und die Zwischenschicht-Exzitonen mit vertikaler Richtung.
Optische Signale, die von den zwei Exzitonen emittiert werden, haben unterschiedliche Lichter, Dauern und Kohärenzzeiten. Dies bedeutet, dass eine selektive Steuerung der beiden optischen Signale die Entwicklung eines Zwei-Bit-Exzitonentransistors ermöglichen könnte. Aufgrund der Inhomogenität von Halbleiter-Heterostrukturen und der geringen Lichtausbeute von Zwischenschicht-Exzitonen zusätzlich zur Beugungsgrenze des Lichts war es jedoch schwierig, Intra- und Zwischenschicht-Exzitonen in Räumen im Nanomaßstab zu kontrollieren.
Das Team hatte in seiner früheren Forschung eine Technologie zur Steuerung von Exzitonen in Räumen auf Nanoebene durch Pressen von Halbleitermaterialien mit einer Spitze im Nanomaßstab vorgeschlagen. Diesmal war es den Forschern erstmals möglich, die Dichte und Leuchtdichte von Exzitonen basierend auf polarisiertem Licht an der Spitze fernzusteuern, ohne die Exzitonen direkt zu berühren. Der bedeutendste Vorteil dieser Methode, die eine photonische Nanokavität und einen räumlichen Lichtmodulator kombiniert, besteht darin, dass sie Exzitonen reversibel steuern kann, wodurch die physikalische Beschädigung des Halbleitermaterials minimiert wird. Außerdem kann ein nanoexzitonischer Transistor, der Licht verwendet, dabei helfen, riesige Datenmengen mit Lichtgeschwindigkeit zu verarbeiten und gleichzeitig den Wärmeenergieverlust zu minimieren.
Künstliche Intelligenz (KI) hat schneller als erwartet Einzug in unser Leben gehalten und benötigt riesige Datenmengen, um gute Antworten zu liefern, die für die Nutzer tatsächlich hilfreich sind. Die ständig wachsende Menge an Informationen sollte gesammelt und verarbeitet werden, da immer mehr Bereiche KI nutzen. Diese Forschung soll eine neue Datenverarbeitungsstrategie vorschlagen, die einer Ära der Datenexplosion angemessen ist. Yeonjeong Koo, einer der Mit-Erstautoren der Forschungsarbeit, sagte: „Der nano-exzitonische Transistor wird voraussichtlich eine wesentliche Rolle bei der Realisierung eines optischen Computers spielen, der dabei helfen wird, die riesigen Datenmengen zu verarbeiten, die von der KI-Technologie angetrieben werden. “
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Yeonjeong Koo et al, Nanocavity-Integrated van der Waals Heterobilayers for Nano-Excitonic Transistor, ACS-Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.2c11509