Μηχανικοί του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν δημιούργησαν μια νέα νανοδομή που μπορεί να καθοδηγεί και να σταματά τα εξιτόνια σε θερμοκρασία δωματίου. Τα εξιτόνια είναι κβαντικά οιονεί σωματίδια που μεταφέρουν ενέργεια χωρίς φορτίο.
H κατασκευή ενός διακόπτη
Η ομάδα έχει πλέον κατασκευάσει τον πρώτο διακόπτη τύπου τρανζίστορ που ελέγχει τη ροή των εξιτονίων. Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε τελικά να ανοίξει το δρόμο για την αντικατάσταση των συμβατικών ηλεκτρονικών με εξιτονικά.
Τα εξιτόνια σχηματίζονται όταν το φως διεγείρει ηλεκτρόνια σε ημιαγωγούς, αφήνοντας πίσω τους θετικά φορτισμένες οπές. Το ηλεκτρόνιο και η οπή κινούνται μαζί ως ζεύγος, σχηματίζοντας ένα ουδέτερο πακέτο ενέργειας. Επειδή δεν φέρουν φορτίο, τα εξιτόνια μπορούν να ταξιδεύουν χωρίς τις απώλειες ενέργειας που προκαλούν θερμότητα σε κυκλώματα που βασίζονται σε ηλεκτρόνια.
«Μπορείτε να δείτε τα όρια των ηλεκτρονικών να επιτυγχάνονται τώρα με την Τεχνητή Νοημοσύνη και άλλους απαιτητικούς υπολογισμούς που καταναλώνουν ενέργεια και παράγουν θερμότητα σαν τρελοί», δήλωσε ο Mack Kira, καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και συν-αντίστοιχος συγγραφέας.
Απαλλαγή από το ενεργειακό κόστος
Εξήγησε ότι τα κέντρα επεξεργασίας που τροφοδοτούνται από εξιτονικά θα μπορούσαν να αποφύγουν το τεράστιο ενεργειακό κόστος. Τα εξιτόνια παίζουν ήδη ρόλο σε πολλές τεχνολογίες. Ενεργοποιούν τα ηλιακά κύτταρα και τα οργανικά LED, και μάλιστα ενεργοποιούν τη φωτοσύνθεση στα φυτά.
«Οι οθόνες των κινητών τηλεφώνων μας λειτουργούν χρησιμοποιώντας οργανικά LED, τα οποία βασίζονται όλα σε εξιτονικά», δήλωσε ο Parag Deotare, αναπληρωτής καθηγητής στο U-M και συν-αντίστοιχος συγγραφέας. «Τα φυτά μετατρέπουν ακόμη και το φως σε εξιτόνια για φωτοσύνθεση και στη συνέχεια μεταφέρουν αυτό το κβαντικό πακέτο ενέργειας εκεί που χρειάζεται πριν το μετατρέψουν σε χημική ενέργεια».
Επίλυση του προβλήματος ελέγχου
Παρά τις δυνατότητές τους, τα εξιτόνια είναι δύσκολο να κατευθυνθούν. Σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια, δεν αντιδρούν σε ηλεκτρικά πεδία, γεγονός που καθιστά τη δημιουργία ρευμάτων ή κυκλωμάτων μια πρόκληση. Για να ξεπεραστεί αυτό, η ομάδα του Μίσιγκαν ανέπτυξε μια δομή κορυφογραμμής που λειτουργεί σαν σύρμα. Η κορυφογραμμή δημιουργεί ένα ενεργειακό τοπίο που τραβάει εξιτόνια κατά μήκος μιας ελεγχόμενης διαδρομής.
Οι ερευνητές στη συνέχεια τοποθέτησαν ηλεκτρόδια εκατέρωθεν της κορυφογραμμής για να λειτουργήσουν ως πύλη. «Όταν τα ηλεκτρόδια είναι ενεργοποιημένα, η τάση δημιουργεί ένα ενεργειακό φράγμα που εμποδίζει τα εξιτόνια να κινηθούν.
Όταν η τάση απενεργοποιείται, τα εξιτόνια ρέουν ξανά. Ένας τέτοιος διακόπτης δεν έχει γίνει μέχρι τώρα», δήλωσε ο Zhaohan Jiang, διδακτορικός φοιτητής του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν και επικεφαλής συγγραφέας.
Σε πειράματα, η συσκευή πέτυχε λόγο ενεργοποίησης-απενεργοποίησης πάνω από 19 ντεσιμπέλ. Αυτή η διαφορά είναι αρκετά μεγάλη για να υποστηρίξει προηγμένες οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές και επιβεβαιώνει την πρακτικότητα της εναλλαγής που βασίζεται σε εξιτόνια. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης φως για να ωθήσουν εξιτόνια κατά μήκος της κορυφογραμμής, δημιουργώντας αυτό που αποκαλούν οπτοεξιτονικό διακόπτη. Ο συνδυασμός της κορυφογραμμής και του φωτός οδήγησε εξιτόνια σε μία κατεύθυνση για τέσσερα μικρόμετρα σε λιγότερο από μισό νανοδευτερόλεπτο σε θερμοκρασία δωματίου.
Μια τεχνολογία του μέλλοντος
Οι πιθανές εφαρμογές είναι ευρείες. Η ταχύτερη και πιο ψυχρή μεταφορά δεδομένων θα μπορούσε να τροφοδοτήσει υπερυπολογιστές, smartphones, κέντρα δεδομένων και συσκευές που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη.
Το έργο έλαβε χρηματοδότηση από το Γραφείο Έρευνας του Στρατού των ΗΠΑ και το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ.
Εάν είναι επιτυχής, αυτή η εργασία θα μπορούσε να σηματοδοτήσει την αρχή μιας νέας εποχής στην πληροφορική, όπου τα εξιτόνια αντικαθιστούν τα ηλεκτρόνια και οι ενεργοβόρες συσκευές δίνουν τη θέση τους σε ταχύτερες, ψυχρότερες και πιο αποδοτικές τεχνολογίες.
www.worldenergynews.gr
