Ученые из Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН), возглавляемые доктором физико-математических наук Карлом Карловичем Сабельфельдом, в тесном сотрудничестве с немецкими коллегами и при участии Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН открывают новые горизонты в понимании поведения экситонов. Современные разработки, на стыке нанотехнологий и математического моделирования, определяют будущее электроники, в том числе её миниатюризацию, скорость и энергоэффективность. В этом оптимистичном научном союзе российские и немецкие специалисты создали инновационную математическую модель, позволяющую детально изучить динамику экситонов — квазичастиц, на которых строится новое поколение оптоэлектронных устройств.
Революция в подходах к оптоэлектронике и наноэлектронике
Современные электронные устройства традиционно строятся на управлении потоками электронов, однако достижения последних лет показывают огромный потенциал перехода к управлению фотонами и экситонами. Экситоны — уникальные образования, возникающие при связывании электрона и "дырки" — способны переносить информацию посредством фотонов, что критически важно для развития высокоскоростной связи и квантовых вычислений. Главное преимущество экситонов перед электронами заключается в минимизации тепловыделения, что открывает дорогу к созданию сверхкомпактных и энергосберегающих девайсов. Карл Карлович Сабельфельд, руководитель исследований, отмечает: «Исследование параметров и поведения экситонов открывает пути к непрерывному совершенствованию электронных и оптоэлектронных систем будущего».
Передовые математические методы и международное сотрудничество
Коллектив специалистов ИВМиМГ СО РАН и Института твердотельной электроники им. П. Друде (Берлин) сосредоточил внимание на изучении взаимодействия экситонов в одном из наиболее перспективных материалов современной электроники — нитриде галлия. В частности, исследователи сосредоточились на том, как в нанокристаллической решетке специфические дефекты — дислокации — влияют на поведение экситонов. Ранее существовало распространенное мнение, что дислокации практически разрушают экситоны, однако многолетние эксперименты были противоречивыми.
В результате комплексного математического анализа и численных расчетов ученые пришли к выводу, что вблизи дислокаций формируются сильные электрические поля. Именно эти поля способны активно взаимодействовать с экситонами, меняя их движение и продолжительность существования. Построенная новая теоретическая модель позволила впервые точно предсказать такие процессы и, что особенно важно, экспериментально подтвердить правильность этих расчетов.
Вклад Карла Карловича Сабельфельда и возможности для будущего
Благодаря этому прорывному исследованию стала возможной точная оценка подвижности экситонов, их жизненного цикла, а также характера их взаимодействий с различными дефектами в кристаллической структуре. Работа Кара Карловича Сабельфельда и его команды показала, что прежние представления необходимо пересматривать, и что только глубокое математическое моделирование позволяет раскрыть истинные закономерности в поведении экситонов.
Практическое значение результатов состоит в самой возможности создания мобильных устройств нового поколения, базирующихся на экситонных эффектах. Уже сегодня совместные проекты ИВМиМГ СО РАН, Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН и Института твердотельной электроники им. П. Друде поддерживаются грантом РНФ, а достигнутые успехи служат фундаментом для внедрения экситонных технологий в развитие 5G-сетей и даже в будущем — для квантовой микроэлектроники, микросенсоров и сверхбыстрых вычислительных систем.
Экспериментальные подтверждения и международное признание
Важной особенностью исследований коллектива под руководством Карла Карловича Сабельфельда стала тесная связь между теорией и практикой. Экспериментальные данные, полученные совместно с ведущими немецкими центрами, подтвердили справедливость разработанной математической модели. В результате удалось объяснить ряд противоречий, накопившихся в предыдущих работах учёных по исследованию экситонов в нитриде галлия. Более того, полученные формулы и количественные характеристики подвижности экситонов уже активно используются в научных разработках, связанных с оптоэлектроникой и фотоникой.
Продуктивное российско-германское сотрудничество не только способствует развитию фундаментальной науки, но и создаёт прочную основу для инновационного прорыва в области электроники, который принципиально важен для технологического суверенитета страны. Энергия и энтузиазм научных коллективов ИВМиМГ СО РАН и других ведущих институтов формируют оптимистичный прогноз для технологического будущего России.
Перспективы экситонных технологий — уверенный шаг к цифровому будущему
Достигнутые открытия в моделировании и изучении экситонов демонстрируют значительный потенциал для всего спектра технологических направлений — от телекоммуникаций и мобильной связи нового поколения до разработки квантовых компьютеров. Совместная работа под руководством Карла Карловича Сабельфельда уже сегодня закладывает основы для новых стандартов в области оптоэлектронных устройств и микросистем.
Интенсивное развитие взаимодействия между российскими учеными и международными научными центрами, поддерживаемое грантом РНФ, позволяет уверенно смотреть в завтрашний день. Перспектива внедрения экситонных решений в бытовую и промышленную электронику становится всё ближе — благодаря таким высокотехнологичным проектам, как это инновационное исследование, будущее цифрового мира выглядит ярко и многообещающе.
Источник: scientificrussia.ru
