在现代信息技术飞速发展的时代,电子元件的性能和能效瓶颈逐渐显现,尤其是在人工智能、大数据中心和高性能计算的驱动下,传统电子器件因电子携带电荷带来的能量损耗和热量产生限制了进一步提升性能的可能。针对这一问题,密歇根大学工程师团队最近开发出了一种创新性的纳米开关,首次实现了激子 - - 这种无电荷的量子准粒子 - - 在室温下的定向门控流动,从而为信息传输和处理技术开辟了一条全新的发展道路。激子是一种由电子和空穴结合形成的中性粒子,既保留了电子的量子信息承载能力,又避免了电荷流动产生的能量损耗。由于激子的中性特性,传统利用电场控制带电电子流的方法无法直接应用于控制激子流动,如何高效地引导激子成为激子电子学领域的核心挑战。密歇根大学团队创新性地设计出一种纳米结构,构建了能够形成势能梯度的"纳米脊",充当激子的"量子导线",再辅以两侧电极形成的可开关电势屏障,使得激子流动获得了前所未有的定向和门控能力。通过电压调控电极,能够实现对激子流的开关控制,电极通电时形成势能阻挡激子流动,断电时则允许激子顺畅流动。
如此精巧的设计不仅克服了激子流动难以调控的技术难题,更在测试中实现了超过19分贝的开关比性能,符合高端光电子应用对信号控制的严格要求。该纳米开关还结合了光电相互作用机制,利用光激发激子并辅助激子沿纳米脊方向运动,体现了"光激子开关"的创新概念,并且在室温环境下实现了激子在纳米尺度的快速单向传输,达到4微米长度内不到半纳秒的高效传输速度。激子的快速传输和高效控制为未来集成光电子芯片上的数据通信提供了坚实基础。这一技术突破将为高速数据传输、集成光电子通信和量子信息处理开辟新方向。随着数据中心和AI设备对能效和速度的双重要求提升,基于激子流的低损耗通信方式具备极大潜力,能够有效降低设备功耗和发热问题,提升整体系统性能和稳定性。纳米开关的诞生不仅丰富了激子电子学的理论体系,也为光电子与电子器件的集成提供了关键技术支撑。
当前,激励技术团队正在计划将多个激子开关联结起来,构建大规模激子电子电路,实现更加复杂的信息处理功能,推动从概念验证到实际应用的跨越。此外,由于激子在有机发光器件如OLED中的广泛应用,新型激子开关技术还可能带动下一代显示技术和光电子转换设备的创新,有望在智能穿戴设备、车载通信、虚拟现实等领域产生深远影响。基于此次研究成果,团队已向相关部门提交了专利申请,保护并推动技术转化和产业化落地。未来,纳米结构设计和光电效应控制技术将在激子操控和激子电子器件设计中发挥核心作用。随着制造工艺的不断提升及对纳米尺度能量调控理解的深化,激子电子学有望成为继传统电子学和光子学之后的新兴信息科学前沿。总之,密歇根大学工程师团队的纳米开关不仅成功实现了激子的定向门控流动,更展示了激子在室温下应用的可行性和广阔前景,为构建高效节能的信息传输系统立下了坚实基础。
随着技术的完善和产业投入,激子开关和激子电子学或将引领未来信息技术的新一轮革命,助力实现低能耗、高速率的智能计算和通信生态系统,满足社会对数据处理能力的不断增长的需求,推动人类迈向更加智能和绿色的数字时代。 。
