Forskere hæver temperaturen for excitonkondensering

Ny Cornell-ledet forskning peger vejen mod et uhåndgribeligt mål for fysikere - højtemperaturs superfluiditet - ved at udforske excitoner i atomisk tynde halvledere.

En exciton, som består af et bundet elektron-hul-par, er et mobilt energibundt, der er i stand til at eksistere i isolatorer og halvledere. Ved at bruge excitoner med stor bindingsenergi, forskerne var i stand til at øge kondensationstemperaturen hundrede gange, fra ca. 1 kelvin (-457,87 F) til ca. 100 kelvin (-279,67 F). Stuetemperaturen er omkring 295 kelvin.

Mens højtemperatur-superfluiditet mangler at blive påvist, dette robuste Bose-Einstein-kondensat kan resultere i lysere, mere effektive belysningssystemer, der overstråler konventionelle LED'er.

Forskerholdets papir, "Bevis på højtemperatur-excitonkondensering i 2-D atomiske dobbeltlag, " blev offentliggjort 2. oktober i Natur .

"Erkendelsen af ​​et excitonkondensat ved meget højere temperatur end tidligere undersøgelser giver en spændende mulighed for at udforske denne kvantefase af stof under væsentligt mindre stringente eksperimentelle forhold, " sagde postdoc-forsker Zefang Wang, Ph.D. '18, avisens hovedforfatter.

Kvantepartikler falder i to grundlæggende klasser - bosoner og fermioner - som er differentierede ved deres spin. Bosoner er socialisatorerne, glad for at være klynget sammen; fermioner er som passagerer i en bus, der ikke vil sidde i nærheden af ​​hinanden. En type boson er exciton, som består af to fermioner - en elektron parret med et elektronhul, hvilket er fraværet af en elektron i systemet - som formår at overvinde deres asociale tendenser og klamrer sig glad til andre partikler.

Excitoner i 2-D atomare dobbeltlag er også lette i massen og små i størrelse, så de kan pakkes tæt sammen – meget mere end atomer og excitoner i konventionelle materialer – og opføre sig kollektivt, som kunne tillade flow uden viskositet eller modstand. Disse er ideelle betingelser for at opnå kondensering og superfluiditet ved højere temperaturer.

"Materiens kvantetilstande er normalt ret skrøbelige. Det er derfor, du skal køle dem ned til meget, meget lav temperatur i et laboratorium, at beskytte dem og isolere dem fra miljøet, " sagde Kin Fai Mak, lektor i fysik ved College of Arts and Sciences, avisens co-senior forfatter sammen med Jie Shan, professor i anvendt og teknisk fysik på Ingeniørhøjskolen.

"Men, " sagde Mak, "hvis du kan skabe en mere robust kvantetilstand af stof, der lever lykkeligt ved en høj temperatur, eller endda i omgivelsernes tilstand, så er der mange ting, du kan gøre med det."

En af disse potentielle anvendelser er optoelektronik. I konventionelle LED'er, excitoner opfører sig uafhængigt, snarere end i samarbejde, fordi de ikke er i en kondenseret tilstand. Men når den først er kondenseret, partiklerne kan kollektivt rekombinere og producere fotoner meget mere effektivt.

"Du kan faktisk skabe meget lysere, mere energieffektive lyskilder end konventionelle LED'er, " sagde Mak.

Holdet tog en decideret "lavteknologisk" tilgang til at samle deres kondensationslag:De brugte klar tape til at fjerne monolag af atomer fra krystaller og genstable dem med elektronerne og hullerne - adskilt med omkring 1 nanometer og justeret for at maksimere deres tiltrækning - danner socialt kærlige bosoner.

"En fremragende egenskab ved kondensatet er, at bosonerne kan flyde uden modstand, " sagde Mak. "Det betyder, at hvert lag i sig selv er en superleder. Så en anden vej til at skabe en højtemperatur-superleder er grundlæggende at lave denne type struktur og separat måle modstanden på det individuelle lag for at se, om det har nul modstand. Og vi arbejder på denne type eksperiment."