下一代计算：难以移动的准粒子在金字塔边缘滑行

结合轻质和无电荷激子进行计算可以克服热损失等，但激子需要新的传输方式

密歇根大学（University of Michigan）开发的一种用于移动激子的新型“导线”可以帮助实现一类新的设备，可能包括室温量子计算机。

更重要的是，该团队观察到爱因斯坦关系的戏剧性违反，爱因斯坦关系用于描述粒子如何在空间中扩散，并利用它来以比以前小得多的包装移动激子。

“大自然在光合作用中使用激子。我们在OLED显示器以及一些LED和太阳能电池中使用激子，“ACS Nano研究的共同通讯作者Parag Deotare说，该研究负责监督实验工作，并且是电气和计算机工程副教授。“将激子移动到我们想要的地方的能力将帮助我们提高已经使用激子的设备的效率，并将激子扩展到计算中。

激子可以被认为是一个粒子（因此是准粒子），但它实际上是一个电子，与材料晶格中带正电的空白空间（“空穴”）相连。由于激子没有净电荷，因此移动激子不受寄生电容的影响，寄生电容是设备中相邻组件之间的电相互作用，会导致能量损失。激子也很容易转换为光或从光转换，因此它们为使用光学和激子组合而不是电子学的极其快速和高效的计算机开辟了道路。

这种组合可以帮助实现室温量子计算，该研究的共同通讯作者、电气和计算机工程教授Mackillo Kira说。激子可以编码量子信息，并且它们可以比电子在半导体内部停留的时间更长。但这个时间充其量仍然以皮秒（10-12秒）为单位，因此Kira和其他人正在研究如何使用飞秒激光脉冲（10-15秒）来处理信息。

“完整的量子信息应用仍然具有挑战性，因为量子信息的退化对于普通电子产品来说太快了，”他说。“我们目前正在探索光波电子学，作为一种以极快的处理能力增强激子的手段。

然而，缺乏净电荷也使激子很难移动。此前，Deotare曾领导过一项研究，该研究将激子通过声波推动半导体。现在，金字塔结构可以更精确地传输较少数量的激子，像电线一样限制在一个维度上。

它的工作原理如下：

该团队使用激光在金字塔底部的一角产生一团激子云，将电子从半导体的价带反弹到导带中，但带负电的电子仍然被吸引到价带中留下的带正电的空穴。半导体是单层二硒化钨半导体，只有三个原子厚，像一块有弹性的布一样披在金字塔上。半导体的拉伸改变了激子所经历的能量格局。

当我们想象一个主要由重力控制的能量景观时，激子应该沿着金字塔的边缘上升并定居在顶峰，这似乎有悖常理。但相反，情况取决于半导体的价带和导带之间的距离。两者之间的能隙，也称为半导体的带隙，在半导体拉伸的地方收缩。激子迁移到最低能量状态，汇集到金字塔的边缘，然后上升到金字塔的顶峰。

通常，爱因斯坦写的方程式擅长描述一堆粒子如何向外扩散和漂移。然而，半导体并不完美，这些缺陷充当了陷阱，当它们试图漂移时会抓住一些激子。由于激子云尾侧的缺陷被填充，因此分布的这一侧如预测的那样向外扩散。然而，领先优势并没有延伸到这么远。爱因斯坦的关系偏差了10倍以上。

“我们并不是说爱因斯坦错了，但我们已经证明，在像这样复杂的情况下，我们不应该使用他的关系来预测扩散激子的迁移率，”该研究的共同第一作者马蒂亚斯·弗洛里安（Matthias Florian）说。

为了直接测量两者，该团队需要检测单光子，当结合的电子和空穴自发重组时发射的光子。使用飞行时间测量，他们还精确地计算出光子的来源，以测量云中激子的分布。

该研究得到了陆军研究办公室（奖项编号W911NF2110207）和空军科学研究办公室（奖项编号）的支持。FA995-22-1-0530）。

金字塔结构是在卢里纳米制造设施中建造的。

该团队在UM创新伙伴关系的协助下申请了专利保护，并正在寻找合作伙伴将该技术推向市场。