Ein Schritt in Richtung der Elektronik der Zukunft’n

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Von links nach rechts: Die Doktoranden Fedele Tagarelli und Edoardo Lopriore mit
Von links nach rechts: Die Doktoranden Fedele Tagarelli und Edoardo Lopriore mit Prof. Andras Kis. 2023 EPFL / Alain Herzog

Forscher haben kontrolliert, wie sich Exzitonen - Quasi-Teilchen, die Informationen in elektronischen Geräten transportieren und Elektronen ersetzen könnten - gegenseitig abstoßen. Sie legten ein elektrisches Feld an eine zweidimensionale Struktur aus Halbleitermaterialien an.

Sie verbrauchen enorm viel Energie, um Informationen zu transportieren und zu speichern, verlieren Energie, wenn sie funktionieren, und werden bald an ihre Grenzen stoßen, was die mögliche Verarbeitungsgeschwindigkeit und Miniaturisierung angeht. Elektronische Geräte sind in allen Bereichen der Gesellschaft unverzichtbar geworden, nähern sich aber angesichts der zunehmenden Nutzung des Internets ihren Grenzen. Seit Jahren arbeiten Wissenschaftler, darunter auch solche der EPFL, an Alternativen, um diese Beschränkungen zu umgehen, insbesondere durch die Untersuchung von Exzitonen und deren Verhalten in zweidimensionalen (2D) Materialien.

In dieser Elektronik der Zukunft, die schneller, kleiner und mit einem sehr geringen Energieverlust arbeitet, würden Exzitonen - ein Paar aus einem negativ geladenen Elektron und einem positiv geladenen Loch - die Elektronen ersetzen oder mit ihnen zusammenarbeiten, um Informationen zu transportieren. Licht, nicht Elektrizität, würde zur Verarbeitung von Informationen oder zur Durchführung von Berechnungen verwendet werden. Fedele Tagarelli, Doktorand am Labor für Elektronik und Strukturen im Nanometerbereich (LANES) von Prof. Andras Kis, erklärt: "Licht wird bereits häufig zum Transport von Informationen verwendet, insbesondere bei Glasfasern. Aber lichtbasierte Computersysteme wurden durch Material- und Größenbeschränkungen behindert".

"Im Gegensatz zu Elektronen erzeugen Exzitonen weniger Wärme, wenn sie in einem Material zirkulieren, und sie funktionieren sehr gut mit Licht. Um ihr Potenzial auszuschöpfen, müssen wir jedoch erst einmal verstehen und kontrollieren, wie sie erzeugt werden, wie sie interagieren, wie schnell sie sich bewegen und wie lange sie leben. Diese Dinge befinden sich noch im Forschungsstadium", sagt Edoardo Lopriore, ebenfalls Doktorand am LANES. In einem idealen Zustand der Materie können diese Exzitonen tatsächlich einen Zustand der Suprafluidität erreichen, der es ihnen ermöglicht, sich energiefrei, ohne Widerstand und somit ohne Energieverlust zu bewegen.

Abstoßende Wirkung

Vor diesem Hintergrund haben sich die Forscher des LANES in Zusammenarbeit mit der Philipps-Universität Marburg und dem National Institute for Materials Science in Japan mit einem der wichtigsten Verhaltensweisen von Exzitonen befasst: der Art und Weise, wie sie sich gegenseitig abstoßen. Sie entwickelten eine Plattform, die aus einer oberen und einer unteren Schicht aus Metall und einer inneren Schicht aus vielen Schichten von isolierenden und halbleitenden 2D-Materialien besteht, die übereinander liegen und durch eine sogenannte Van-der-Waals-Kraft zusammengehalten werden. 2D-Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie extrem dünn sind und aus wenigen Atomschichten bestehen. "Sie haben völlig andere Eigenschaften als 3D-Materialien und ermöglichen neue physikalische Phänomene", betont Fedele Tagarelli.

Anschließend beobachteten sie, dass sie durch Anlegen einer elektrischen Spannung an diese Plattform die Art und Weise, wie sich die Exzitonen gegenseitig abstoßen, kontrollieren und verändern konnten. "Soweit wir wissen, ist dies das erste Mal, dass diese Kontrolle demonstriert wurde, zumindest auf so einfache Weise", fügt Fedele Tagarelli hinzu. "Wir haben eine neue Methode zur Kontrolle von Hybrid-Exzitonen entdeckt, die eine einzigartige Möglichkeit für Studien im Bereich der Physik der kondensierten Materie bieten kann". In früheren Forschungsarbeiten war es dem LANES bereits gelungen, die Lebensdauer und die Mobilität von Exzitonen zu kontrollieren.


Damit das funktioniert, erklären die Doktoranden, dass die Exzitonen die elektrische Spannung nicht direkt "empfangen", sondern lediglich ein elektrisches Feld "spüren" sollen.daher eine Schutzschicht aus Metall sowie eine Isolierschicht auf der Struktur, die die Schichten aus 2D-Halbleitermaterial, Wolframdiselenid WSe2, schützt. Die Forscher führten die Experimente und Messungen bei sehr niedrigen Temperaturen (4 Kelvin) durch.

"Mit diesem neuen Experiment bauen wir unseren Werkzeugkasten zur Beherrschung von Exzitonen weiter aus, um sie für die Informationsverarbeitung auf umweltfreundlichere Weise nutzbar zu machen", fügt Prof. Andras Kis hinzu. Die Ergebnisse werden in Nature Photonics veröffentlicht.

Referenzen

"Electrical control of hybrid exciton transport in a van der Waals heterostructure".

Fedele Tagarelli, Edoardo Lopriore, Daniel Erkensten, Raül Perea-Causín, Samuel Brem, Joakim Hagel, Zhe Sun, Gabriele Pasquale, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ermin Malic, Andras Kis.

Veröffentlicht am 20. April 2023 in Nature photonics.