Afsløring af den mikroskopiske mekanisme af superledende metalliske transistorer

Transistorer er grundlaget for mikrochips og hele den elektroniske industri. Opfindelsen af ​​transistorer af Bardeen og Brattain i 1947, belønnet med en Nobelpris, betragtes som en af ​​de vigtigste opdagelser i det 20. århundrede.

Traditionelle transistorer er baseret på modulering af en elektrisk strøm under et elektrisk felt, hvilket kun er muligt ved brug af halvledermaterialer. I halvledere er der færre frie ladningsbærere sammenlignet med metaller, og Fermi-niveauet (som er det termodynamiske arbejde, der kræves for at tilføje en elektron til systemet) sidder i et energibåndgab, hvilket betyder, at elektroner er sværere at excitere.

Ved at dope halvledere kan man skabe et vist antal frie bærere, fx i et tomt bånd, som nu kan exciteres til større momenta og derfor kan føre elektrisk strøm gennem materialet.

Med halvledere er en kontrolleret strøm af elektroner fra en kilde til en vask mulig under påføring af et elektrisk felt. Da materialets strøm-spændingskarakteristik er stærkt ikke-lineær, kan et elektrisk signal således forstærkes eller undertrykkes, som i en p–n junction diode.

Hvorfor er transistorer lavet af halvledere og ikke for eksempel metaller? Med metalledere er det ikke muligt at lave transistorer på grund af det store antal frie (ekstremt mobile) elektroner, som fuldstændig skærmer det elektriske felt inde i materialet.

I praksis, så snart du tænder for et elektrisk felt på tværs af den ledende prøve, bevæger alle elektronerne sig næsten øjeblikkeligt inde i prøven og omfordeles internt, således at deres nye rumlige fordeling skaber et elektrisk felt, der nøjagtigt annullerer det eksternt påførte elektriske felt.

Dette fænomen forhindrer således muligheden for at kontrollere strømmen af ​​elektricitet (mikroskopisk strømmen af ​​frie elektroner), når et eksternt elektrisk felt tændes over lederen.

For nylig er metalliske superledere, der kun er få nanometer tykke, blevet brugt eksperimentelt til at realisere en ny elektrisk felteffekt som en levedygtig rute mod metalliske transistorer. Superledende materialer er metaller, som, hvis de køles ned under en vis kritisk temperatur, kan understøtte strømmen af ​​elektroner uden modstand. Med andre ord er de ideelle ledere, hvor elektricitet kan føres igennem uden spredning eller modstand.

Årsagen til denne tilsyneladende magiske adfærd ligger i dannelsen af ​​elektronpar holdt sammen af ​​en "lim" tilvejebragt af gitter termiske bevægelser. Disse par adlyder kvantestatistikker (Bose-Einstein-statistikker), som gør det muligt for et stort antal partikler (limede elektronpar, i dette tilfælde) at optage den laveste energitilstand eller grundtilstand.

Grundtilstanden danner derefter en sammenhængende kvantebølgefunktion, som er immun over for spredningsprocesser, der genererer resistivitet, og dermed kan elektronerne flyde frit gennem materialet og bære elektricitet uden energidissipation.

Ved at arbejde med disse superledende metalenheder observerede et eksperimentelt hold ledet af Francesco Giazotto ved det italienske Centro Nazionale delle Ricerche (CNR), at et eksternt elektrisk felt med tilstrækkelig amplitude kan undertrykke den elektriske strøm. Dette fænomen muliggør således brugen af ​​den superledende tynde film som en diode, da vi nu kan styre den elektriske strøm gennem metallet ved at indstille det eksterne elektriske felt.

Selvom eksperimenterne blev udført ved hjælp af meget standard konventionelle materialer (f.eks. aluminium), kunne denne effekt ikke forklares af standardteorien om superledning (som blev udviklet af den samme fysiker, John Bardeen, som medopdagede transistoren og for hvilken han blev tildelt en anden Nobelpris i fysik, et ganske usædvanligt tilfælde i historien).

Denne teori, kendt som Bardeen-Cooper-Schrieffer eller BCS-teorien, forklarer, at gitterets termiske bevægelser (fononer) giver den lim, der danner elektronparrene ved at overvælde den frastødende Coulomb-interaktion mellem de to elektroner.

I de senere år har jeg arbejdet på en teori, der generaliserer BCS-teorien til meget tynde metalliske film, med en tykkelse på blot nogle få nanometer eller endda lavere end én nanometer.

I denne nye teori har jeg matematisk implementeret princippet om, at kvantepartikler såsom elektroner også er forbundet med en bølgelængde. Hvis denne bølgelængde overstiger størrelsen af ​​den tynde film, kan den tilsvarende elektron ikke forplante sig gennem prøven.

Ved at udarbejde matematikken sammen med min elev Riccardo Travaglino fandt jeg ud af, at den tilsvarende fordeling af elektrontilstande i rummet af tilgængeligt momenta (hvor en kvantepartikels momentum er proportional med det omvendte af dens bølgelængde) bliver modificeret af geometrisk indeslutning.

Især fandt vi ud af, at den såkaldte Fermi-sfære, som beskriver det besatte momenta af frie elektrontilstande i metaller, får to symmetriske sfæriske "hullommer" af forbudte tilstande (se figuren ovenfor). Ved at bruge dette fund var vi i stand til at beregne den kritiske temperatur, ved hvilken metallet bliver superledende, i fremragende overensstemmelse med eksperimentelle data.

Et par måneder senere, i foråret 2023, mødte jeg professor Vladimir Fomin fra Leibniz Instituttet i Dresden, og jeg illustrerede vores resultater for ham. Han påpegede straks den potentielle relevans af vores teori for den eksperimentelle "superledende metalliske diode", opdaget af Giazotto og kolleger.

I løbet af sommeren 2023 startede vi således med professor Fomin et samarbejde med det formål at implementere indeslutningsteorien til at beskrive en superledende tynd film under et eksternt elektrisk felt.

For denne nye teori var vi nødt til at tage højde for det faktum, at "limen" fra fononerne også påvirkes af koncentrationen af ​​frie elektroner, og det samme er deres Coulomb-frastødning. Disse mængder er til gengæld begge stærkt påvirket af indeslutningen af ​​den tynde film.

Den nye teori, der tager højde for disse afgørende aspekter, viser for første gang, at den passende modificerede mikroskopiske Bardeen-Cooper-Schrieffer-teori, der tager højde for indeslutning, kan forudsige den elektriske felt-inducerede undertrykkelse af superledende elektrisk strøm på grund af kvantebølgeindeslutningseffekter i ultra -tynde film.

I praksis er der på grund af indespærringen hullommer inde i Fermihavet, der fører til en øget tæthed af tilstande ved Fermi-overfladen. Til gengæld forstærker denne effekt Coulomb-afstødningen mellem elektroner i det omfang, at et elektrisk felt let kan bryde elektronparrene, der holdes sammen af ​​fonon-"limen". Teorien forklarer således, at denne effekt bliver større ved formindskelse af filmtykkelsen, i overensstemmelse med eksperimentelle observationer.

Takket være denne nye teori kan en hel række af quantum gate materialer udvikles og optimeres i fremtidige applikationer. Ydermere forudsiger indeslutningsteorien en ny topologisk overgang ved yderligere at reducere filmtykkelsen fra en triviel topologi af Fermi-overfladen til en ikke-triviel topologi forbundet med en ændring i de elektroniske egenskaber.

Vores forskning er publiceret i tidsskriftet Physical Review B .

Denne historie er en del af Science X Dialog, hvor forskere kan rapportere resultater fra deres publicerede forskningsartikler. Besøg denne side for at få oplysninger om Science X Dialog og hvordan du deltager.