Das MIT-Team wendet eine Technologie an, die für die visuelle Tarnung entwickelt wurde, um einen effizienteren Elektronentransfer zu ermöglichen.
Ein neuer Ansatz, mit dem Objekte unsichtbar werden können, wurde nun auf einen ganz anderen Bereich angewendet: Partikel dürfen sich vor den Elektronen verstecken, was zu effizienteren thermoelektrischen Geräten und neuen Arten von Elektronik führen könnte.
Das Konzept - entwickelt vom MIT-Absolventen Bolin Liao, der ehemaligen Postdoc Mona Zebarjadi (heute Assistenzprofessorin an der Rutgers University), dem Forschungswissenschaftler Keivan Esfarjani und dem Maschinenbauprofessor Gang Chen - wird in einem Artikel in der Zeitschrift Physical Review Letters beschrieben.
Normalerweise bewegen sich Elektronen auf eine Art und Weise durch ein Material, die der Bewegung elektromagnetischer Wellen, einschließlich Licht, ähnlich ist. ihr Verhalten kann durch Wellengleichungen beschrieben werden. Dies brachte die MIT-Forscher auf die Idee, die Tarnmechanismen zu nutzen, die entwickelt wurden, um Objekte vor der Sicht abzuschirmen, und sie auf die Bewegung von Elektronen anzuwenden, die für elektronische und thermoelektrische Geräte von entscheidender Bedeutung ist.
Das Diagramm zeigt den „Wahrscheinlichkeitsfluss“ von Elektronen, eine Darstellung der Wege von Elektronen, die durch ein „unsichtbares“ Nanopartikel laufen. Während die Pfade beim Eintritt in das Partikel gebogen werden, werden sie anschließend zurückgebogen, so dass sie auf derselben Flugbahn, mit der sie begonnen haben, von der anderen Seite wieder auftauchen - so als ob das Partikel nicht da wäre. Mit freundlicher Genehmigung von Bolin Liao et al .
Bisherige Arbeiten zum Verschleiern von Objekten aus der Sicht stützten sich auf sogenannte Metamaterialien aus künstlichen Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Die zum Tarnen verwendeten Verbundstrukturen führen dazu, dass sich Lichtstrahlen um ein Objekt biegen und sich dann auf der anderen Seite treffen und ihren ursprünglichen Pfad wieder einnehmen. Dadurch wird das Objekt unsichtbar.
„Diese Idee hat uns inspiriert“, sagt Chen, Professor für Energietechnik bei Carl Richard Soderberg am MIT, der sich entschied, zu untersuchen, wie dies auf Elektronen anstatt auf Licht zutreffen könnte. Bei dem von Chen und seinen Kollegen entwickelten neuen Elektronen-Cloaking-Material ist der Prozess jedoch etwas anders.
Die MIT-Forscher modellierten Nanopartikel mit einem Kern aus einem Material und einer Hülle aus einem anderen. Aber in diesem Fall passieren die Elektronen die Teilchen nicht, sondern biegen sich um das Objekt. Sie biegen sich zunächst in eine Richtung und kehren dann wieder zurück, sodass sie zu derselben Flugbahn zurückkehren, mit der sie begonnen haben.
In Computersimulationen scheint das Konzept zu funktionieren, sagt Liao. Jetzt wird das Team versuchen, die tatsächlichen Geräte zu erstellen, um festzustellen, ob sie die erwartete Leistung erbringen. "Dies war ein erster Schritt, ein theoretischer Vorschlag", sagt Liao. "Wir wollen weiter erforschen, wie wir aus dieser Strategie echte Geräte machen können."
Während das ursprüngliche Konzept unter Verwendung von Partikeln entwickelt wurde, die in ein normales Halbleitersubstrat eingebettet sind, möchten die MIT-Forscher prüfen, ob die Ergebnisse mit anderen Materialien wie zweidimensionalen Graphenschichten repliziert werden können, die möglicherweise interessante zusätzliche Eigenschaften bieten.
Der ursprüngliche Anstoß der MIT-Forscher war die Optimierung der in thermoelektrischen Geräten verwendeten Materialien, die aus einem Temperaturgradienten einen elektrischen Strom erzeugen. Solche Geräte erfordern eine Kombination von Eigenschaften, die schwer zu erreichen sind: hohe elektrische Leitfähigkeit (damit der erzeugte Strom frei fließen kann), aber niedrige Wärmeleitfähigkeit (um einen Temperaturgradienten aufrechtzuerhalten). Die beiden Leitfähigkeitstypen können jedoch nebeneinander existieren, so dass nur wenige Materialien diese widersprüchlichen Eigenschaften aufweisen. Die Simulationen des Teams zeigen, dass dieses Elektronen-Tarnmaterial diese Anforderungen ungewöhnlich gut erfüllen könnte.
Die Simulationen verwendeten Partikel mit einer Größe von wenigen Nanometern, die der Wellenlänge fließender Elektronen entsprachen und den Elektronenfluss bei bestimmten Energieniveaus im Vergleich zu herkömmlichen Dotierungsstrategien um Größenordnungen verbesserten. Dies könnte zu effizienteren Filtern oder Sensoren führen, sagen die Forscher. Da die Komponenten auf Computerchips immer kleiner werden, müssten „Strategien zur Steuerung des Elektronentransports entwickelt werden“. Dies könnte ein nützlicher Ansatz sein.
Das Konzept könnte auch zu einer neuen Art von Schaltern für elektronische Geräte führen, sagt Chen. Der Schalter könnte durch Umschalten zwischen transparent und undurchsichtig für Elektronen arbeiten und so einen Strom von diesen ein- und ausschalten. "Wir stehen wirklich erst am Anfang", sagt er. "Wir sind uns nicht sicher, wie weit dies noch gehen wird, aber es gibt ein gewisses Potenzial" für wichtige Anwendungen.
Xiang Zhang, Professor für Maschinenbau an der University of California in Berkeley, der an dieser Forschung nicht beteiligt war, sagt: „Dies ist eine sehr aufregende Arbeit“, die das Konzept der Tarnung auf die Domäne der Elektronen erweitert. Die Autoren, sagt er, "haben einen sehr interessanten Ansatz aufgedeckt, der für thermoelektrische Anwendungen sehr nützlich sein könnte."
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