密西根大學的工程師們最近開發出一種新的納米結構，能夠在室溫下引導和停止激子。激子是一種量子準粒子，能夠攜帶能量而不帶電荷。這項創新標誌著團隊首次建造出類似於晶體管的開關，能夠控制激子的流動。這一突破將可能為取代傳統電子設備開啟新的道路，專注於激子學（excitonics）的應用。
激子是在光激發半導體中的電子時形成的，這個過程同時留下了帶正電的空穴。電子和空穴作為一對結合在一起，形成一個中性的能量包。由於激子不帶電荷，它們能夠在不產生熱量的情況下自由移動，這樣的特性使得激子在電子電路中具有很大的潛力。密西根大學的電機與計算機工程教授Mack Kira表示，隨著人工智能及其他高需求計算的快速發展，電子設備所面臨的能量消耗和熱量生成的挑戰日益嚴峻。他進一步解釋，基於激子的處理中心將能夠避免巨額的能源成本。
激子在許多技術中已經發揮了作用，例如太陽能電池和有機發光二極管（OLED），甚至在植物的光合作用中也扮演著重要角色。密西根大學的副教授Parag Deotare指出，現今的智能手機顯示器使用的有機發光二極管都是基於激子的技術。他提到，植物甚至能將光能轉化為激子，然後將這種量子能量包運輸到需要的地方，最終轉化為化學能。
然而，儘管激子具有廣泛的應用潛力，但它們的控制仍然是一個挑戰。與電子不同，激子不會對電場作出反應，這使得創建電流或電路變得困難。為了解決這一問題，密西根大學的研究團隊開發了一種脊形結構，類似導線的功能，這種脊形結構能夠創造出一種能量景觀，能夠沿著受控路徑引導激子。研究人員在脊的兩側安裝了電極，作為開關的作用。當電極通電時，電壓形成的能量屏障將阻止激子的移動，而當電壓關閉時，激子又會重新流動。這種開關在此之前尚未被實現，密西根大學的博士生Zhaohan Jiang表示，這項技術的開發顯示了激子基開關的實用性。
在實驗中，這一裝置達到了超過19分貝的開關比，這種差異足以支持先進的光電子應用，並確認了激子基開關的可行性。研究團隊還利用光來推動激子沿著脊形結構移動，創造出所謂的光激子開關。脊形結構和光的結合使得激子能夠在室溫下以不到半個納秒的時間，向一個方向移動四微米。Deotare預測，隨著這項技術的進一步發展，未來可能形成光激子電路，並提升光子學與電子學之間的接口，從而加速處理和通信。
這項研究的潛在應用範圍非常廣泛，快速且低熱量的數據傳輸能夠驅動超級計算機、智能手機、數據中心以及以人工智能為驅動的設備。自動駕駛汽車和數字雙胞胎等技術也可能受益於激子電路的效率。該項目獲得了美國陸軍研究辦公室和美國空軍科學研究辦公室的資助。研究團隊在密西根大學創新合作夥伴的協助下已申請專利保護，未來的目標是將數百個激子開關連接成更大的系統。
如果這項工作成功，將標誌著計算技術的新時代的開始，激子將取代電子，能源需求高的設備將被更快速、更冷卻且更高效的技術所取代。這項研究已於《ACS Nano》期刊上發表。
