Průlom elektroniky znamená, že naše zařízení jednoho dne již nemusí emitovat odpadní teplo, říkají vědci
Vědci vyvinuli průlomovou technologii, která řeší základní limit v elektronice.
Tato nová technologie, nazvaná „Optoexcitonický přepínač“, by mohla vést k nové třídě elektroniky – od telefonů a počítačů po datová centra a kvantové počítače, které mohou fungovat bez generování odpadního tepla.
Nový přepínač funguje jako konvenční elektronický přepínač, který používá elektrický náboj k řízení toku elektronů v systému. Přepínače směřují tok energie nebo ovládají přenos signálů v zařízení.
Protože jsou tyto elektrony nabité, produkují „odpadní teplo“. Proto se váš notebook zahřívá, když hrajete náročnou videohru a proč masivní datová centra fungují při mimořádně vysokých teplotách.
Na druhé straně nové „excitonické přepínače“ se spoléhají na neutrálně nabité „excitony“ – třídu kvazistriálů vytvořených „vzrušujícím“ elektronem takovým způsobem, že je odstraněn z jeho polohy v atomu.
Tyto vzrušené elektrony zanechávají díru, která se váže s volným elektronem. Společně volně se pohybující elektron, který má nyní záporný náboj, a díra, kterou zanechává, který má kladný náboj, tvoří jediný kvazipartikul nazývaný „exciton“, který zůstává neutrálně nabitý. Vzhledem k tomu, že excitony mají neutrální náboj, nepřinášejí teplo, když přenášejí informace.
Síla světla
Průlomový výzkum, publikovaný 31. srpna v časopise ACS Nanoje poprvé, kdy byly excitony použity k vytvoření přepínače, který přesahuje výkon současných fotonických přepínačů a dosahuje celkového nejmodernějšího výkonu.
„Elektronika se zahřeje, a to proto, že elektronická zařízení mají vždy kondenzátory,“ spoluautor studie Parag DeotoreLive Science řekl docent, počítačové inženýrství, počítačové inženýrství a aplikovaná fyzika. „Pokaždé, když uložíte energii nebo uvolníte tuto energii, zahřejete ji. Exciton je nová částice neutrální náboje, jako foton, která toto teplo nevytváří.“
Nové zařízení používá excitony k překonání tepelného problému a zlepšuje elektronický design zmenšením přepínačů používaných k přesunu informací o dvou řádů velikosti.
Deotore uvedl, že dlouhodobým cílem při vývoji těchto nových přepínačů je vytvoření excitonických obvodů, které fungují tak efektivně, že počítačové systémy nepotřebují ventilátory a že telefony mohou udržovat jejich baterie nabité po delší dobu.
Testování „magické tloušťky“
Zatímco teorie za excitonickými přepínači je zvuk, inženýrství a testování nové technologie představovalo pro tým největší výzvu. V konvenčním elektronickém systému jsou elektrony tlačeny tam, kde musí projít elektrickým nábojem brutální síly. Excitony postrádají tuto možnost kvůli jejich neutrálnímu náboji.
Aby se excitony dostaly tam, kam potřebují, vědci použili podobně neutrálně nabité fotony, aby si objednali excitony v lineárním poli podél jednorozměrné roviny-nebo „hřeben“.
Tým vytvořil excitony a poté je ovlivnil specifickým počtem fotonů, které byly absorbovány na špičce hřebene, aby vytvořily populaci excitonu, řekl Deotore. Jinými slovy, jedná se o dav excitonů, které se konaly nahoru a stojící stále na dně přímky. Tým pak aplikoval více fotonů, dokud se excitony nezačali pohybovat. Pokud přidali příliš mnoho fotonů, excitony nedokázaly následovat hřeben; Příliš málo fotonů způsobilo, že excitony zůstaly v klidu.
„Naše předpověď byla taková, že pokud je pěstujete dostatečně silné, bude propojení světla na excitony takové, že tlak bude zničen. A oni to mohli ukázat. Takže v podstatě to muselo mít magickou tloušťku,“ spoluautor studie Mackillo KiraLive Science řekl profesor elektrotechniky a počítačového inženýrství a spoluzakladatel Quantum Research Institute. “
Protože světlo působí jako vlna, fotony „tlačily“ excitony, jakmile byla dosažena magická tloušťka. Pozorování této aktivity potvrdilo teorie a prokázalo, že experiment byl úspěšný, dodala Kira. „To je vlastně snadné ověřit pro experimenty, protože barva excitonu se změní, když jdete podél hřebene, řekla Kira.
Na základě výsledků experimentu již přepínač splňuje nebo překračuje schopnosti současné technologie.
Konečným cílem je rozšířit tyto přepínače do obvodů, které by zdánlivě nahradily současnou elektroniku. Podle vědců je k dosažení tohoto cíle nezbytné několik pokroků, včetně nalezení nových materiálů a vyvíjejících se technik pro výrobu a škálování prototypových zařízení používaných v experimentech týmu. Tým však věří, že tyto výzvy by mohly být překonány po desetiletí.
Doufáme, že optoexcitonické přepínače a obvody by mohly překonat odpadní teplo – pravděpodobně největší problém při výpočtu. To by umožnilo masivní zmenšení velikosti spojené s exponenciálním zlepšením výkonu, uvedli vědci.
