Τα εξιτόνια θα μπορέσουν να διαμορφώσουν το μέλλον των ηλεκτρονικών συσκευών;

Είναι ένας εξ ολοκλήρου νέος τρόπος σκέψης σχετικά με τα ηλεκτρονικά. Τα εξιτόνια (exciton) – ή τα οιονεί σωμάτια που σχηματίζονται όταν ηλεκτρόνια απορροφούν φως – φαίνεται να φέρνουν επανάσταση στα δομικά στοιχεία των κυκλωμάτων. Επιστήμονες στην EPFL έχουν μελετήσει τις εξαιρετικές τους ιδιότητες για να σχεδιάσουν ηλεκτρονικά συστήματα περισσότερο αποδοτικά ενεργειακά, και έχουν βρει έναν τρόπο να ελέγχουν καλύτερα τα εξιτόνια που κινούνται στους ημιαγωγούς. Τα ευρήματά τους παρουσιάζονται στο χθεσινό Nature Nanotechnology.

Τα οιονεί σωμάτια είναι προσωρινά φαινόμενα που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση μεταξύ δυο σωματιδίων στην στερεά ύλη. Τα εξιτόνια δημιουργούνται όταν ένα ηλεκτρόνιο απορροφά ένα φωτόνιο και κινείται σε υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση, αφήνοντας μια οπή, πίσω στην προηγούμενη ενεργειακή του κατάσταση (αποκαλείται «ζώνη σθένους» στη θεωρία ζωνών). Το ηλεκτρόνιο και η οπή του ηλεκτρόνιου συνδέονται μαζί μέσω ελκτικών δυνάμεων και μαζί τα δυο σχηματίζουν αυτό που αποκαλείται εξιτόνιο. Μόλις το ηλεκτρόνιο πέσει πίσω στην οπή εκπέμπει ένα φωτόνιο και το εξιτόνιο παύει να υπάρχει.

Τον τελευταίο χρόνο, μια ομάδα επιστημόνων από το LANES (Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures) της EPFL ανακοίνωσε ότι έχει αναπτύξει ένα τρανζίστορ – ένα από τα συστατικά των κυκλωμάτων – που λειτουργεί με εξιτόνια μάλλον παρά με ηλεκτρόνια. Και για πρώτη φορά, τα μέλη της ομάδας μπόρεσαν να κάνουν τα τρανζίστορ να λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου, ένα κύριο βήμα προς την κατεύθυνση να αναπτυχθεί πρακτικές εφαρμογές για αυτή την τεχνολογία.

Δείτε ένα video για τα εξιτόνια και τη χρήση τους στα ηλεκτρικά, από την EPFL:

Για να κάνουν τα εξιτόνια να αντέξουν περισσότερο, οι επιστήμονες τοποθέτησαν σε στρώματα δυο διαφορετικά δισδιάστατα υλικά το ένα επάνω από το άλλο: δισεληνιούχο βολφράμιο (WSe2) και δισεληνιούχο μολυβδαίνιο (MoSe2). Το παραγόμενο υλικό είχε μια λαμπυρίζουσα υφή που επηρεάζονταν από το πώς ήταν κατανεμημένα τα οιονεί σωμάτια. «Με τα δυο αυτά υλικά, τα εξιτόνια έτειναν να ομαδοποιηθούν μαζί σε συγκεκριμένες θέσεις και εμπόδισαν το ρεύμα να ρέει», αναφέρει ο Andras Kis, επικεφαλής του LANES και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. Για να εμποδιστεί αυτό να συμβεί, αυτή τη φορά η ερευνητική ομάδα πρόσθεσε ένα μεσαίο στρώμα εξαγωνικής μορφής νιτριδίου του βορίου (h-BN), το οποίο τους επιτρέπει να δουν τα εξιτόνια και τα ενεργειακά τους επίπεδα πιο καθαρά.

Η ερευνητική ομάδα ανακάλυψε επίσης έναν τρόπο να πολώνει τα ρεύματα εξιτονίων, που σημαίνει ότι τα οιονεί σωμάτια θα μπορούσαν τελικά να χρησιμοποιηθούν για να κωδικοποιήσουν δεδομένα ανεξάρτητα από διακυμάνσεις στο υπάρχον μέγεθος καθώς και την πόλωσή τους. Αυτό ανοίγει την πόρτα για ακόμη περισσότερες εφαρμογές τόσο στην κωδικοποίηση όσο και στη επεξεργασία δεδομένων σε νανοσκοπικό επίπεδο.