Российские ученые вместе с зарубежными коллегами построили модель и вычислили поведение экситонов — квазичастиц, состоящих из электрона и дырки. Открытие поможет в создании электронных приборов будущего, в частности квантовых компьютеров и смартфонов. Работа ученых опубликована в журнале Physical Review Applied.

«Мы привыкли, что современные девайсы используют для своей работы электроны, но последние достижения наноэлектроники связаны с манипулированием на уровне фотонов и экситонов. Это позволяет создавать наноразмерные оптоэлектронные устройства, например датчики и компьютеры. Эти структуры способны переносить фотоны, а с их помощью — информацию. В отличие от электронов при использовании фотонов не происходит выделение большого количества тепла, а значит, мы сможем уменьшать размеры устройств без риска их перегрева», — цитирует «Наука в Сибири» одного из авторов работы, главного научного сотрудника Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН Карла Сабельфельда.

Ученые исследовали поведение экситонов в нитриде галлия — полупроводниковом материале, который используется для изготовления оптоэлектронных приборов ультрафиолетового диапазона, а также при создании транзисторов в усилителях мощности СВЧ. Авторы новой работы были заинтересованы во взаимодействии электронов с дислокациями — дефектами поверхности внутри кристаллической решетки.

«Десятилетиями существовало представление, что дислокация действует как черная дыра для экситонов — когда они подходят близко, то исчезают благодаря ей. Но в экспериментах было много противоречий. Мы выяснили, что в наноразмерном полупроводнике вокруг дислокации создаются электрические поля, достаточные для взаимодействия с экситонами, и построили модель для описания этих взаимодействий», — рассказывает Сабельфельд.

Исследователи смогли описать взаимодействие экситонов с дислокацией в электрическом поле, вычислить их подвижность и время жизни. Затем авторы провели эксперименты для проверки своих расчетов, и все они оказались верны. Выяснилось также, что принятый ранее метод исследования был основан на неверном физическом представлении.

Технологии с использованием свойств экситонов применяют, в частности, для разработки нового поколения мобильной связи 5G.