Сотрудники Университета ИТМО и научные работники из Южной Кореи совместно выявили эффект, который увеличивает силу тока квазичастиц, называемых экситонами, в восемьдесят раз. Используя этот эффект для управления экситонным током на наноразмерном уровне, исследователи создали уникальную конструкцию – электроплазмонный нанорезонатор. В будущем на его основе предполагается разработка энергоэффективных, высокоскоростных и миниатюрных экситонных интегральных схем, предназначенных для передачи данных и искусственного интеллекта, дополняя традиционные электронные и оптические схемы. Работа, выполненная при поддержке гранта Российского научного фонда, опубликованы в Nature Materials.
В центрах обработки данных информация передается, обрабатывается и хранится благодаря интегральным схемам – электронным, использующим электрический ток, или оптическим, основанным на фотонах. Однако обе эти технологии имеют свои недостатки. При выполнении масштабных вычислений, например, в системах искусственного интеллекта, электронные интегральные схемы потребляют значительное количество энергии и могут подвергаться перегреву. В свою очередь, миниатюризация оптических интегральных схем затруднена фундаментальными ограничениями, связанными с длиной световой волны.
В качестве альтернативы интегральным схемам, использующим электроны или фотоны, перспективны устройства, основанные на экситонах. Экситоны – это квазиатомы, возникающие в полупроводниках при взаимодействии электрона с отрицательным зарядом и «дырки» – квазичастицы с положительным зарядом. Образование экситона приводит к появлению частицы с нулевым зарядом, способной выступать в роли связующего звена между электрическими и оптическими явлениями, обеспечивая эффективное преобразование света в электронное возбуждение и наоборот.
Экситоны сочетают в себе достоинства различных типов интегральных схем. Как и в оптических схемах, они обладают способностью эффективно поглощать фотоны и генерировать свет. Благодаря этому информацию можно передавать и обрабатывать с помощью света, избегая сложных преобразований. Кроме того, экситоны унаследовали от электронных схем свойство быть очень компактными. Квазиатомы могут быть созданы в слое полупроводника толщиной всего в один нанометр, в то время как оптические интегральные схемы обычно занимают сотни нанометров.
Процесс передачи данных с использованием экситонов и электронов имеет схожие черты. Однако в устройствах, основанных на экситонах, вместо электронного тока применяется поток экситонов. Для ускорения и повышения надёжности передачи информации в кратчайшие сроки исследователи разрабатывают методы усиления экситонного тока, такие как увеличение концентрации экситонов в интегральных схемах. Тем не менее, выяснилось, что существует альтернативный подход к решению этой задачи.
Сотрудничество ученых из Нового физтеха ИТМО и Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH) в Южной Корее позволило выявить принципиально новый способ управления экситонами в полупроводниках на наноуровне. В рамках этого исследования была создана электроплазмонная наноструктура – резонатор, который увеличивает интенсивность экситонного тока в 80 раз. Разработанный электроплазмонный нанорезонатор имеет толщину не более 25 нанометров и включает в себя два сверхтонких слоя полупроводниковых материалов, размещенных на золотой подложке. Слои расположены друг над другом под заданным углом: в слое из диселенида вольфрама возникает «дырка», а в слое из сплава молибдена, вольфрама и селена – электрон. При облучении лазерным излучением в такой двухслойной конфигурации образуются экситоны.
Для контроля перемещения экситонов исследователи создали нанорезонатор, используя острый золотой электрод. Этот нанорезонатор фокусирует оптическое поле лазера, что приводит к образованию квазиатомов, и в то же время формирует локальное электрическое поле. Воздействие этих двух полей вызывает неравномерность в концентрации экситонов: их высокая концентрация наблюдается внутри нанорезонатора под электродом, в то время как в остальной части полупроводника их практически нет. Данный перепад концентрации формирует градиент плотности экситонов, который способствует «выталкиванию» квазиатомов из нанорезонатора и их перемещению к более свободным областям в полупроводнике.
«Ранее физики придерживались мнения, что для увеличения экситонного тока необходимо генерировать большее количество квазичастиц в определенной области и перемещать их через полупроводник под воздействием переменного электрического поля. Однако, в ходе наших экспериментальных исследований влияния градиента экситонной плотности, мы выявили новый механизм усиления этого тока. Он демонстрирует, что ключевым фактором является не только количество созданных квазичастиц, но и разница в концентрациях экситонов, оставшихся в нанорезонаторе и покинувших его. Это на практике означает возможность генерации меньшего количества экситонов с сохранением значительного усиления. В рамках нашей работы нам уже удалось достичь 80-кратного усиления тока на масштабе нескольких десятков нанометров. Использование градиента экситонной плотности позволит создать энергоэффективные, стабильные, более быстрые и компактные экситонные интегральные схемы, не требующие охлаждения, которые могут дополнить электронные и оптические схемы, применяемые для задач искусственного интеллекта и передачи данных» , — по словам руководителя исследования, ведущего научного сотрудника ИТМО и Нового физтеха Василия Кравцова.
В дальнейшем исследователи ИТМО намерены выяснить, можно ли повысить интенсивность экситонного тока и определить способы достижения этой цели, ускорить управление квазиатомами и выявить существующие ограничения в процессе разработки. Кроме того, предстоит найти подходящий источник фотонов для наноразмерной экситонной интегральной схемы. Одним из вероятных вариантов является разработка, созданная специалистами Нового физтеха совместно с ИТМО и МФТИ — она является самой компактной в мире лазер. Объем этого объекта составляет всего 0,005 кубического микрона, что в 13 раз меньше объема куба, сторона которого равна длине волны его излучения. Это наилучший результат, зарегистрированный для синего диапазона (400-500 нанометров).
Работа была поддержана в рамках программы «Приоритет-2030» и при содействии Российского научного фонда ( № 25-42-01019).
Материалы поступили из пресс-службы Университета ИТМО