Onderzoekers hebben een manier gevonden om elektronicaverbindingen kleiner, sneller en energiezuiniger te maken. Dit krijgen ze voor elkaar met zogeheten ‘excitonen’.
Dankzij het nieuwe onderzoek kunnen excitonen nu voor het eerst gebruikt worden bij kamertemperatuur. Excitonen zijn zogeheten quasideeltjes, deeltjes die alleen ontstaan dankzij het het collectieve gedrag van andere deeltjes.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Dat deze schijndeeltjes nu op kamertemperatuur in tact blijven, zet de deur open naar de eerste generatie exciton-transistors: varianten op de klassieke transistor, waar geen gewone stroom (elektronen) doorheen stroomt, maar excitonen. Transistors zijn misschien wel de belangrijkste bouwsteen van elektronica. Een mobiele telefoon of laptop bevat honderden tot miljarden van deze piepkleine aan/uit-schakelaartjes. En wanneer je die klassieke transistors kunt vervangen door exciton-transistors, wordt elektronica kleiner, sneller en energiezuiniger.
Excitonen
Elektronica bouwen op basis van excitonen is echter geen sinecure. De schijndeeltjes zijn namelijk heel fragiel. Een extra toefje energie, bijvoorbeeld in de vorm van warmte, kan er al voor zorgen dat ze uit elkaar vallen. Ze konden daarom enkel gecontroleerd worden bij een extreem lage temperatuur van -173 graden Celsius.
‘We maken excitonen door laserlicht op een materiaal te schijnen’, zegt Dmitrii Unuchek, fysicus bij de technische universiteit EPFL in Zwitserland. Als het licht voldoende energie heeft, duwt het elektronen van hun plek. Die elektronen laten daarbij een ‘elektrongat’ achter. Het gat is netto positief geladen omdat de negatieve lading van een elektron ‘ontbreekt’. Een gat en weggeduwd elektron raken met elkaar verbonden en vormen samen een exciton. Omdat die negatieve en positieve lading elkaar opheffen gedragen ze zich samen dus als ongeladen deeltje. Als de twee weer samenkomen verdwijnt het exciton en wordt licht uitgezonden.
Licht en elektronen
Dit maakt excitonen geschikt als verbinding tussen de glasvezelkabels die bijvoorbeeld het internet aan elkaar knopen, en elektronica zoals computers. Informatie wordt in glasvezelkabels namelijk verstuurd in de vorm van licht. terwijl computers informatie moeten omzetten in elektriciteit om ermee te kunnen werken.
Het bewerken en verwerken van informatie gaat in elektronica het makkelijkst en snelst met elektriciteit. Maar het versturen gaat sneller met licht. ‘Je hebt dus het liefst licht voor het transport en elektronen voor het verwerken van informatie’, zegt Unuchek. De omzetting die daarvoor nodig is, blijkt echter complex.
Excitonen bieden een oplossing. Je kunt informatie als licht versturen en dat licht gebruiken om excitonen te maken. Het bewerken van informatie doe je vervolgens met deze excitonen. Excitonen werken namelijk gewoon met standaardelektronica. Daarna laat je de elektronen en gaten van de excitonen samensmelten zodat er weer makkelijker te transporteren licht ontstaat.
Met excitonen is de omzetting van licht naar elektriciteit efficiënter. Bovendien zijn excitonen, in tegenstelling tot elektronen, ongeladen. ‘Daardoor verliezen ze minder energie als ze door een materiaal bewegen’, zegt Unuchek.
Tweedimensionaal materiaal
Het nadeel was dat excitonen alleen bij extreem lage temperatuur goed werken. De onderzoekers lossen dit op door gebruik te maken van twee lagen met twee soorten tweedimensionaal materiaal: wolfraamdiselenide (WSe2) en molybdeendisulfide (MoS2). Tweedimensionaal materiaal bestaat uit een enkele laag atomen. ‘In tweedimensionaal materiaal heb je minder last van verstoringen dan in driedimensionaal materiaal. De verstoringen kunnen immers niet van onder of boven komen. Daardoor is de binding tussen een elektron en een elektrongat sterker’, zegt Unuchek.
Verder bleken de elektronen bijna allemaal in de MoS2-laag te zitten en de elektrongaten in de WSe2-laag. Daardoor bevinden ze zich verder bij elkaar vandaan. Dat verkleint de kans dat ze ongewenst samensmelten waarbij het exciton verdwijnt. Hierdoor blijven ze zelfs bij kamertemperatuur intact.
Het excitonenonderzoek staat nog in de kinderschoenen. Dit onderzoek is het eerste waarbij wordt aangetoond dat je de quasideeltjes ook bij kamertemperatuur kunt gebruiken. Dat is de eerste stap naar toepassingen in combinatie met bestaande elektronica.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: