Iets werkt met niets, maar alleen in de kou

Computerresultaten direct omzetten in licht kan rekenwerk een stuk sneller maken. Het exciton maakt dat mogelijk.

Het exciton, een wonderlijke optelsom van iets en niets, kan een belangrijke rol spelen in elektronische circuits. Nu ook bij min of meer fatsoenlijke temperaturen, namelijk iets boven de min 200 graden. De Californische universiteiten uit San Diego en Santa Barbara hebben dat, nog nabibberend van de kou, bekendgemaakt in Nature Photonics.

Excitonen kunnen ontstaan wanneer een elektron zijn normale plaats in een kristal verlaat en een ‘gat’ achterlaat. Het elektron is zoals bekend een negatief geladen deeltje; het gat waaruit die negatieve lading is verdwenen gedraagt zich als een deeltje met een positieve lading. Het elektron kan afreizen naar elders of terugvallen in het gat, maar onder bepaalde omstandigheden kunnen de twee enige tijd een geheel vormen zonder echt te herenigen. Dat is het exciton: een tijdelijk verbond van iets en niets, van een negatieve en een positieve lading.

Alle huidige elektronica werkt door het transport van elektronen. Bewegende elektronen in een draad of een chip vormen de ‘stroom’ die energie of informatie verplaatst. De groep in Californië heeft deze zomer schakelingen gemaakt die werkten met een stroom excitonen. Daarin reizen elektronen en gaten samen, zij het op gepaste afstand. Zo waren de excitonen veranderd van een natuurkundige curiositeit in een toepasbaar verschijnsel.

Excitonen bieden namelijk interessante mogelijkheden. Je kunt een elektron uit zijn gat in het kristal schoppen door de inwerking van licht. Zo wordt een exciton geboren. Als een exciton verdwijnt, doordat het elektron zijn plaats in het gat weer inneemt, wordt er licht uitgezonden. Licht is ideaal voor datatransport maar voor het omzetten van rekenresultaten uit chips in lichtsignalen is nu nog speciale apparatuur nodig. Het gebruik van excitonen kan deze stap superefficiënt maken: een rekenpartij in een chip zou aan het einde van de pijp vanzelf een lichtsignaal geven dat het resultaat op transport stelt.

Van de zomer wisten de Californiërs schakelingen aan het werk te krijgen die gebaseerd waren op galliumarsenide. Deze werken alleen bij temperaturen van ruim 271 graden onder nul (anderhalve graad boven het absolute nulpunt), anders verdwijnen de excitonen voordat er iets is uitgerekend. Leuk voor in het lab, maar niet praktisch. Door over te stappen op aluminium-galliumarsenide is het ze nu gelukt bij 170 graden onder nul, een temperatuur die te bereiken valt door koeling met vloeibare stikstof. Dan begint de industrie de oren te spitsen.

Zachtjes dampende, door stikstof gekoelde excitonen-pc’s staan nog niet op de schappen. Het team in San Diego en Santa Barbara zoekt nog naar materialen die het doen bij kamertemperatuur.

Herbert Blankesteijn