Zwitserse en Japanse onderzoekers hebben een transistor ontwikkeld die werkt op zogeheten excitonen. Met zo’n transistor zijn snelle optische datasignalen gemakkelijk te koppelen aan op elektronische signalen voor de bewerking van die data.
Het bijzondere van het werk van de Zwitserse ingenieurs van de EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) en het Japanse Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschap is dat ze zo’n excitonen-transistor aan het werk kregen bij kamertemperatuur. Tot nu toe lukte dat alleen bij koeling tot -173 °C. Zij publiceerden hun werk over excitonen in het tijdschrift Nature.
Een exiton is een een elektron dat door het invangen van een lichtdeeltje meer energie krijgt en zo in een hogere baan om de atoomkern terecht komt. Normaliter valt dat aangeslagen elektron weer snel terug in zijn oude baan, waarbij het zelf licht uitzendt. Nu zijn er zijn halfgeleidermaterialen waarbij dat aangeslagen elektron en het achtergebleven gat een 'binding' met elkaar aangaan, en zich gezamenlijk als een quasideeltje gedragen, het exciton.
Onderstaande video illustreert aan de hand van een strip wat excitonen zijn:
Mix van halfgeleidermaterialen
De Zwitserse onderzoekers creëerden nu een mix van molybdeen-disulfide en wolfraam diselenide, twee halfgeleidermaterialen met een vergelijkbare kristalstructuur. Een aangeslagen elektron komt dan in de laag met het molybdeen-sulfide, terwijl het gat in de wolfraam-diselenide blijft. De levensduur van dit exciton is dan bij kamertemperatuur honderd keer groter dan in niet gemengd materiaal, en dat blijkt voldoende om het exciton te gebruiken als een transistor. Het gaat nog steeds om een ultrakort verschijnsel: in het gemengde materiaal leeft het exciton een nanoseconde (1 ns = 10-9 s), voordat het elektron weer het gat bezet in zijn oorspronkelijke baan en zelf licht uitzendt.
Ingepakt in een beschermingslaagje van boor-nitride en met twee elektroden van grafeen werd er vervolgens een ‘transistor’ van gemaakt. Door er met een laser op te schijnen worden in het materiaal excitonen gemaakt, die weer zelf licht uitzenden wanneer ze terugvallen. Nu blijkt dat ze dat niet op dezelfde plek doen als waar het laserlicht op het materiaal valt, maar een stukje verderop, een paar duizendste millimeter. Volgens de onderzoekers heeft dat onder meer te maken met de hogere temperatuur op de plek waar de laser schijnt. In- en uitgang van het licht zijn dus gescheiden. Wordt er nu een elektrische spanning op de elektroden gezet, dan vormt die een barrière voor de excitonen om zich te verplaatsen en is er dus geen licht bij de 'uitgang.' Met een elektrisch signaal is het lichtsignaal bij de uitgang dus te schakelen tussen 1, wel licht bij de uitgang, en 0, geen licht bij de uitgang, en functioneert daarmee als een transistor.
Interface tussen optisch en elektronisch signaal
Een mogelijke toepassing van deze techniek: een interface die nodig is tussen de optische signalen. Data kunnen daarmee heel snel en vrijwel zonder energieverlies over grote afstanden worden verplaatst, en voor de elektronica die nodig is om de data te bewerken zijn exitonen handig. De koppeling die daar nu voor wordt gebruikt moet eerst het optische signaal omzetten in een elektronisch signaal, met de exciton-transistor is het datasignaal direct met een elektronisch signaal te manipuleren. Er is nog wel heel veel nodig voordat zo’n toepassing daadwerkelijk is te gebruiken.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.