Michigan Üniversitesi’ndeki ekip, yüksüz enerji taşıyan kuantum kuazi parçacıkları olan eksitonları oda sıcaklığında yönlendirebilen ve gerektiğinde durdurabilen yeni bir nanoyapı geliştirdi. Araştırma, eksiton akışını kontrol eden ilk transistör benzeri anahtarın gösterimiyle, klasik elektroniğin eksitonik sistemlerle ikame edilmesinin önünü açıyor.
ENERJİ KAYBI AZALIR
Eksitonlar, yarı iletkenlerde ışığın uyardığı elektronların geride bıraktığı pozitif yüklü boşluklarla çift oluşturmasından doğuyor ve nötr enerji paketleri gibi hareket ediyor. Yük taşımadıkları için, elektron tabanlı devrelerde görülen ısıya dönüşen enerji kayıpları olmaksızın ilerleyebiliyorlar. Araştırma, yapay zeka ve yoğun hesaplama yüklerinin tetiklediği enerji-tüketim/ısı sorunlarını eksitonik işlemle hafifletme potansiyeline işaret ediyor.
ZORLUK: YÖNLENDİRME
Eksitonlar elektrik alanlarına doğrudan tepki vermediğinden, akım oluşturma ve devre kurma zorluğu bulunuyor. Ekip bu engeli, tel gibi davranan sırt (ridge) yapısı ile aştı. Sırt, eksitonları belirli bir hat boyunca çeken enerji manzarası yaratıyor.
SIRTI KİLİTLEYEN KAPI
Araştırmacılar, sırtın iki yanına birer kapı (gate) görevi gören elektrot yerleştirdi. Elektrotlara voltaj uygulandığında, eksiton akışını kesen bir enerji bariyeri oluşuyor; voltaj kaldırıldığında akış yeniden başlıyor. Bu yaklaşım, eksiton akışında daha önce yapılmamış net bir aç/kapa geçişi sağladı.
DENEYSEL KANITLAR GÜÇLÜ
Cihaz, deneylerde 19 dB’nin üzerinde açma-kapama anahtarlama oranına ulaştı. Bu fark, gelişmiş optoelektronik uygulamalar için yeterli bir kontrast sunarak eksiton tabanlı anahtarlamanın pratikliğini doğruladı.
IŞIKLA İTİLEN AKIŞ
Ekip, eksitonları sırt boyunca ışıkla iterek çalıştırılan bir varyantı da gösterdi ve buna optoeksitonik anahtar adını verdi. Sırt ile ışığın birleşimi, oda sıcaklığında yarım nanosaniyeden kısa sürede eksitonları dört mikrometre boyunca tek yönde sürdü. Bu dinamik, yüksek hızlı optoelektronik arayüzler için kritik önemde.
UYGULAMA ALANLARI GENİŞ
Güneş pilleri ve organik LED ekranlar dahil pek çok teknolojide eksitonlar halihazırda rol oynuyor; doğada fotosentez sürecini taşıyorlar. Yeni anahtarın olgunlaşmasıyla, daha hızlı ve daha soğuk veri aktarımı; süper bilgisayarlar, akıllı telefonlar, veri merkezleri ve yapay zeka donanımı için verim artışı bekleniyor. Otonom araçlar ve dijital ikiz uygulamaları da eksitonik devrelerden yararlanabilecek.
FON VE PATENT SÜRECİ
Proje, ABD Kara Kuvvetleri Araştırma Ofisi ve Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi tarafından desteklendi. Ekip, UM Innovation Partnerships aracılığıyla patent koruması başvurusunda bulundu. Bir sonraki hedef, yüzlerce eksitonik anahtarı büyük ölçekli sistemler içinde birbirine bağlamak.
YENİ BİLİŞİM DÖNEMİ
Araştırmacılar, başarıya ulaşılması halinde eksitonların elektronların yerini aldığı; enerji yoğun cihazların daha hızlı, soğuk ve verimli çalıştığı yeni bir bilişim çağının mümkün olabileceğini öngörüyor. Bu vizyon, fotoniğin hızını ve elektroniğin entegrasyon olgunluğunu eksitonik arayüzlerle birleştiren hibrit optoelektronik mimariler için de yol gösterici olabilir.
