Fysikere skaber eksotisk elektronvæske

Ved at bombardere en ultratynd halvledersandwich med kraftige laserimpulser, fysikere ved University of California, Riverside, har skabt den første "elektronvæske" ved stuetemperatur.

Præstationen åbner en vej for udvikling af de første praktiske og effektive enheder til at generere og detektere lys ved terahertz-bølgelængder - mellem infrarødt lys og mikrobølger. Sådanne enheder kan bruges i så forskellige applikationer som kommunikation i det ydre rum, opdagelse af kræft, og scanning efter skjulte våben.

Forskningen kunne også muliggøre udforskning af stoffets grundlæggende fysik i uendeligt lille skala og hjælpe med at indlede en æra med kvantemetamaterialer, hvis strukturer er konstrueret til atomare dimensioner.

UCR-fysikerne offentliggjorde deres resultater online 4. februar i tidsskriftet Naturfotonik . De blev ledet af lektor i fysik Nathaniel Gabor, der leder UCR Quantum Materials Optoelectronics Lab. Andre medforfattere var laboratoriemedlemmer Trevor Arp og Dennis Pleskot, og lektor i fysik og astronomi Vivek Aji.

I deres eksperimenter, forskerne konstruerede en ultratynd sandwich af halvledermolybdæn-ditellurid mellem lag af kulstofgrafen. Den lagdelte struktur var kun lidt tykkere end bredden af ​​et enkelt DNA-molekyle. De bombarderede derefter materialet med superhurtige laserimpulser, målt i kvadrilliontedele af et sekund.

"Normalt, med halvledere som silicium, laser excitation skaber elektroner og deres positivt ladede huller, der diffunderer og driver rundt i materialet, sådan definerer du en gas, " sagde Gabor. Men i deres eksperimenter, forskerne opdagede tegn på kondensation til det, der svarer til en væske. En sådan væske ville have egenskaber, der ligner almindelige væsker såsom vand, bortset fra at det ville bestå, ikke af molekyler, men af ​​elektroner og huller i halvlederen.

"Vi skruede op for mængden af ​​energi, der blev dumpet ind i systemet, og vi så intet, ikke noget, intet – så pludselig så vi dannelsen af, hvad vi kaldte en 'unormal fotostrømring' i materialet, " sagde Gabor. "Vi indså, at det var en væske, fordi den voksede som en dråbe, i stedet for at opføre sig som en gas."

"Det, der virkelig overraskede os, selvom, var, at det skete ved stuetemperatur, " sagde han. "Tidligere, Forskere, der havde skabt sådanne elektronhulsvæsker, havde kun været i stand til at gøre det ved temperaturer, der var koldere end selv i det dybe rum."

De elektroniske egenskaber af sådanne dråber ville muliggøre udvikling af optoelektroniske enheder, der fungerer med hidtil uset effektivitet i terahertz-området af spektret, sagde Gabor. Terahertz-bølgelængder er længere end infrarøde bølger, men kortere end mikrobølger, og der har eksisteret et "terahertz-gab" i teknologien til at udnytte sådanne bølger. Terahertz-bølger kunne bruges til at opdage hudkræft og tandhuler på grund af deres begrænsede penetration og evne til at løse tæthedsforskelle. Tilsvarende bølgerne kunne bruges til at opdage defekter i produkter som medicintabletter og til at opdage våben skjult under tøj.

Terahertz-sendere og -modtagere kunne også bruges til hurtigere kommunikationssystemer i det ydre rum. Og, elektronhulsvæsken kunne være grundlaget for kvantecomputere, som giver mulighed for at være langt mindre end siliciumbaserede kredsløb, der nu er i brug, sagde Gabor.

Mere generelt, Gabor sagde, teknologien brugt i hans laboratorium kunne være grundlaget for konstruktion af "kvantemetamaterialer, " med atomskaladimensioner, der muliggør præcis manipulation af elektroner for at få dem til at opføre sig på nye måder.

I yderligere undersøgelser af elektronhullet "nanopuddles, "Forskerne vil udforske deres væskeegenskaber såsom overfladespænding.

"Lige nu, vi har ingen idé om, hvor flydende denne væske er, og det ville være vigtigt at finde ud af, " sagde Gabor.

Gabor planlægger også at bruge teknologien til at udforske grundlæggende fysiske fænomener. For eksempel, afkøling af elektronhulsvæsken til ultralave temperaturer kan få den til at forvandle sig til en "kvantevæske" med eksotiske fysiske egenskaber, der kunne afsløre nye grundlæggende principper for stof.

I deres eksperimenter, forskerne brugte to nøgleteknologier. At konstruere de ultratynde sandwich af molybdæn ditellurid og carbon grafen, de brugte en teknik kaldet "elastisk stempling". I denne metode, en klæbrig polymerfilm bruges til at opsamle og stable atomtykke lag af grafen og halvleder.

Og for både at pumpe energi ind i halvledersandwichen og afbilde effekterne, de brugte "multi-parameter dynamisk fotorespons mikroskopi" udviklet af Gabor og Arp. I denne teknik, stråler af ultrahurtige laserimpulser manipuleres til at scanne en prøve for optisk at kortlægge den genererede strøm.