Экситоны – решение для космических компьютерных систем

// // Интересное в сети //

Исследовательская группа, в состав которой входят физики и инженеры Университета Калифорнии (Сан-Диего), сумела разработать и практически реализовать несколько компьютерных интегральных микросхем, обладающих законченной архитектурой, способных функционировать в температурных условиях, приближенных к абсолютному нулю. В своей работе эта группа использовала такое физическое состояние материи, как экситоны, которые позволяют создавать особый класс вычислительных устройств, предназначенных для работы в условиях глубокого космоса.

Классическая физика описывает экситон как водородоподобную квазичастицу, которая является электронным возбуждением, вызванным в полупроводниковом или диэлектрическом материале. Эта квазичастица способна мигрировать по кристаллу, причем механизм ее миграции не связан с переносом массы или электрического заряда, поскольку она состоит из дырки и электрона. Однако в случаях одинакового порядка энергии взаимодействия дырки с электроном и энергии их движения, а также более высокого порядка взаимодействия двух экситонов в сравнении в их энергией, экситоны можно считать самостоятельными элементарным частицами. Другими словами, экситон можно принять как элементарную частицу в случаях, когда он является цельным образованием, не подверженным воздействиям, способным привести к его разрушению.

Открытие экситонов было совершено Я. И. Френелем в 1931 году. Именно их наличием он смог объяснить отсутствие у диэлектриков фотопроводимости при поглощении фотонов светового излучения – их энергия расходовалась не на образование носителей тока, а на создание экситонов. Малая концентрация экситонов вызывает поведение, аналогичное квазичастицам в газовом состоянии. В этом случае экситон можно рассматривать как бозон, что делает возможным реализацию бозе-конденсации – накопления на низшем энергетическом уровне большого количества этих квазичастиц. Это позволяет возникать в кристаллах незатухающим потокам энергии.

Повышение концентрации экситонов приводит к образованию биэкситона – экситонной молекулы из двух связанных экситонов. При этом ее основное отличие от молекулы водорода заключается в существенно меньшей энергии диссоциации, в сравнении с энергией связи. Еще большее повышение концентрации экситонов приводит к их разрушению, поскольку расстояние между ними становится порядка их радиуса. В результате возникают так называемые «капли» электронно-дырочной плазмы. Их наличие в полупроводниках (германии, кремнии) приводит к высокой плотности дырок и электронов при их малой концентрации (объемной) и высокой подвижности в неоднородных электромагнитных полях.

Разработка исследовательской группы представляет собой цепочку интегральных микросхем, которая производила вычисления при температуре, превышающей абсолютный ноль лишь на 1,5° (-271,65°C). Такая низкая величина температуры присутствует на граничных областях Солнечной системы – на орбитах самых далеких планет (Плутона, Урана), а также на их поверхности. На Земле подобные условия реализуются лишь в лабораторных условиях.

Как объяснили исследователи, хотя функционирование оборудования возможно и при температуре 1,5 К, но его приемлемая скорость реализуется в температурном диапазоне 125 – 234 К (-148÷-40°C). Достижение таких условий производится в результате воздействия на схемы сжиженного азота.

По словам ученых, теперь их целью является разработка такого устройства, функционирующего на экситонах, которое обладает работоспособностью и при комнатных температурах. В этом случае удастся получить рекордно высокую скорость взаимодействия между узлами электронных компонентов.