Исследователи Нового физтеха ИТМО в сотрудничестве с коллегами из Южной Кореи первыми обнаружили эффект, усиливающий в 80 раз ток квазичастиц экситонов. Для управления экситонным током на наноуровне с помощью этого эффекта ученые также разработали специальную структуру — электроплазмонный нанорезонатор. В перспективе на его основе можно будет создавать энергоэкономичные, более быстрые и компактные экситонные интегральные схемы для передачи данных и ИИ-вычислений в дополнение к существующим электронным и оптическим схемам. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Nature Materials.

^{Василий Кравцов, Иван Калантаевский и Артем Абрамов (слева направо). Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS}

В центрах обработки данных информация передается, обрабатывается и хранится с помощью интегральных схем — либо электронных, которые используют электрический ток, либо оптических, которые основаны на фотонах. Но обе технологии имеют свои ограничения. При больших объемах вычислений, например, с помощью ИИ, электронные интегральные схемы потребляют много энергии и могут перегреваться. А оптические интегральные схемы сложно миниатюризировать из-за фундаментальных ограничений, связанных с длиной волны света.

Альтернативой интегральным схемам на электронах или фотонах могут стать устройства на основе экситонов — квазиатомов, которые «рождаются» в полупроводнике в результате взаимодействия отрицательно заряженного электрона и «дырки» — квазичастицы с положительным зарядом. Объединение электрона и «дырки» наделяет экситон нулевым зарядом и способностью выступать «посредником» между электрическими и оптическими процессами, то есть помогать материалу эффективно превращать свет в электронное возбуждение материала и обратно.

Экситоны объединяют преимущества разных типов интегральных схем. От оптической схемы они «унаследовали» способность легко поглощать фотоны и излучать свет. Это значит, что с помощью света можно передать экситону информацию и считать ее без сложных промежуточных преобразований. От электронной схемы экситоны переняли способность к миниатюризации. Квазиатомы можно реализовать в ультратонком слое полупроводника — один нанометр против сотен нанометров толщины в оптической интегральной схеме.

Механизм передачи информации с помощью экситонов и электронов похож. Только в случае экситонных устройств вместо электронного тока используется ток экситонный. Чтобы быстрее и надежнее передавать информацию за наименьшее время, ученые ищут способы усиления экситонного тока, например увеличивая плотность экситонов в интегральных схемах. Но оказалось, что есть другой способ решать задачу.

Ученые Нового физтеха ИТМО в сотрудничестве с Пхоханским университетом науки и технологий (POSTECH) в Южной Корее открыли новый механизм управления экситонами в полупроводниках на наноуровне и разработали электроплазмонный нанорезонатор — структуру, которая усиливает в 80 раз экситонный ток. Электроплазмонный нанорезонатор занимает не более 25 нанометров в толщину, состоит из двух ультратонких слоев полупроводников на подложке из золота. Слои располагаются друг над другом под определенным углом: в верхнем слое из диселенида вольфрама формируется «дырка», в нижнем из сплава молибдена, вольфрама и селена — электрон. Под воздействием лазера в такой двухслойной структуре возникают экситоны.

Чтобы управлять движением экситонов, ученые сформировали с помощью острого золотого электрода нанорезонатор. В нем локализуется оптическое поле лазера, которое генерирует квазиатомы, и одновременно формируется локальное электрическое поле. Под действием двух полей возникает разница в концентрации экситонов: их очень много в нанорезонаторе под электродом, но почти нет в остальной части полупроводника. Этот перепад концентрации создает градиент экситонной плотности, который «выталкивает» квазиатомы из нанорезонатора и заставляет их переходить на более свободные локации в полупроводнике.

«Раньше физики считали так: чтобы усилить экситонный ток, нужно создать больше квазичастиц в одной точке и двигать их по полупроводнику под действием меняющегося электрического поля. Но мы экспериментально исследовали влияние градиента экситонной плотности и обнаружили новый механизм усиления тока экситонов. Он показывает: важно не только количество созданных квазиатомов, но и разница в концентрациях между оставшимися в нанорезонаторе и покинувшими его экситонами. На практике это означает, что мы можем генерировать меньше экситонов и все равно получить хорошее усиление. В работе нам уже удалось показать 80-кратное усиление тока на масштабе нескольких десятков нанометров. За счет градиента экситонной плотности можно создать энергоэкономичные, стабильные, более быстрые и компактные экситонные интегральные схемы, для работы которых не требуется охлаждение, в дополнение к электронным и оптическим схемам, которые используются для ИИ-вычислений и передачи данных», — рассказал руководитель исследования, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Василий Кравцов.

В перспективе ученые ИТМО планируют изучить, возможно ли еще больше усилить экситонный ток и как это сделать, как быстрее управлять квазиатомами и какие существуют ограничения у разработки. Также нужно подобрать источник фотонов для наноразмерной экситонной интегральной схемы. Подходящим кандидатом может стать разработка ученых Нового физтеха ИТМО и МФТИ — самый маленький в мире лазер. Его объем — всего 0,005 кубического микрона, что примерно в 13 раз меньше куба длины волны его излучения. Это рекордный показатель для синего диапазона (400-500 нанометров).

^{Аспирант Артем Абрамов настраивает экспериментальную установку для сборки гетероструктур на основе двумерных полупроводников. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS}

^{Аспирант Иван Калантаевский работает с оптическим микроскопом для поиска однослойных ван-дер-ваальсовых полупроводников. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS}

Исследование поддержано программой «Приоритет-2030» и грантом РНФ (№25-42-01019).