Ваш следующий смартфон будет работать неделю без подзарядки. Скажите спасибо экситонам.

Исследователи из Университета Мичигана разработали наноструктуру , которая впервые позволила направлять и останавливать экситоны при комнатной температуре. Эти квантовые квазичастицы переносят энергию без заряда и, в отличие от электронов, не теряют её на тепловыделение. Команда построила транзистороподобный переключатель, способный контролировать поток экситонов, что открывает путь к созданию новой вычислительной парадигмы — экситоники.

Экситоны образуются в полупроводнике, когда свет возбуждает электрон, оставляя после него «дырку» с положительным зарядом. Электрон и дырка движутся вместе, формируя нейтральный энергетический пакет. Так как они не несут заряд, то могут распространяться без сопротивления и нагрева, что выгодно отличает их от электронов в классических схемах. По словам профессора Мака Киры, современные вычисления в области искусственного интеллекта потребляют всё больше энергии и выделяют всё больше тепла, и именно экситоника способна решить эту проблему. Его коллега Параг Деотаре напомнил, что экситоны давно используются в реальных технологиях: они лежат в основе органических светодиодов в дисплеях смартфонов и обеспечивают транспортировку энергии при фотосинтезе растений.

Главная трудность заключалась в том, что экситоны не реагируют на электрические поля, поэтому управлять их движением напрямую нельзя. Для решения задачи инженеры создали гребневую наноструктуру, которая формирует энергетический рельеф и направляет квазичастицы вдоль заданного пути. Затем с обеих сторон гребня были размещены электроды. При подаче напряжения они создают барьер, останавливающий движение экситонов, а при выключении напряжения поток возобновляется. Как отметил ведущий автор исследования, аспирант Жаохань Цзян, подобного управляемого переключателя до сих пор не существовало. В экспериментах устройство продемонстрировало коэффициент включения-выключения более 19 дБ, что подтверждает его пригодность для оптоэлектронных приложений.

Учёные также проверили, как можно направлять экситоны с помощью света. В таком режиме поток двигался по гребню в одну сторону, преодолевая четыре микрометра менее чем за полнаносекунды при комнатной температуре. Комбинация светового воздействия и наноструктуры позволяет рассматривать новый элемент как оптоэкситонный переключатель, который может ускорить взаимодействие между фотоникой и электроникой, а затем и стать основой экситонных схем. Этот прорыв особенно важен на фоне растущего интереса к квантовым вычислениям при комнатной температуре .

Применений у такой технологии множество: от сверхбыстрой и энергоэффективной передачи данных в суперкомпьютерах и дата-центрах до смартфонов, автономных автомобилей и цифровых двойников. Разработку финансировали Управление научных исследований армии США и Управление научных исследований ВВС. Университет уже подал заявку на патент через программу U-M Innovation Partnerships. Следующая задача команды — объединить сотни экситонных переключателей в более крупные системы. Если это удастся, экситоны смогут заменить электроны, а вычислительная техника выйдет на новый уровень скорости и энергоэффективности .