Grafen bringer kvanteeffekter til elektroniske kredsløb

Forskning udført af forskere knyttet til EF's Graphene Flagship har afsløret en superfluid fase i 2D-materialer med ultralav temperatur, skabe potentiale for elektroniske enheder, som spreder meget lidt energi.

På atomær og molekylær skala, verden kan være et meget mærkeligt sted, med dagligdags forestillinger om temperatur, energi og fysisk sammenhæng kastet i opløsning. Med virkeligheden på kvanteniveau må vi tale om statistisk sandsynlighed og sandsynlighed frem for simpel billardkugle årsag og virkning.

Tag begrebet superfluiditet, en ultrakold tilstand, hvor stof fungerer som en væske med nul viskositet. Du kan tænke på superfluiditet som en generaliseret termodynamisk analog til den mere almindeligt forståede elektriske superledning, hvorved elektroner bevæger sig gennem materialer uden modstand og energitab.

Superfluiditet blev først opdaget i flydende helium, ved temperaturer på blot et par grader over det absolutte nulpunkt, men fænomenet er tydeligt på skalaer, der spænder fra det atomære til det kosmiske. Det er relateret til materiens tilstand kendt som et Bose-Einstein-kondensat, hvor en stor del af partiklerne i bulkstof indtager den laveste kvanteenergitilstand. Partiklerne, som ved højere temperaturer bevæger sig tilfældigt rundt, tilfældig mode, kan på denne måde opføre sig som en sammenhængende eller i det mindste kvasi-kohærent helhed, dermed bringe kvantemekaniske effekter ind i makroskopisk synlighed.

Fascinerende om lidt esoterisk fysik kan det være, men der er en praktisk side ved superfluiditet og Bose-Einstein-kondensering. For det første har det konsekvenser for elektroniske enheders adfærd, omend specialiserede, der opererer ved ultralave temperaturer. Til dette formål har en gruppe forskere tilknyttet Europas Graphene Flagship undersøgt egenskaberne af elektroner, der bevæger sig i todimensionelle strukturer dannet af grafen og galliumarsenid.

Grafen er krystallinsk kulstof arrangeret i transparent, enkelt atomtykke lag, med kulstofatomerne sat i et honeycomb-lignende gitter. Det bedst kendte af de hundredvis af todimensionelle materialer, der er opdaget til dato, grafen har en række unikke elektriske, mekaniske og andre egenskaber, der giver det et stort potentiale til anvendelser lige fra elektronik til superstærke strukturer.

Med fokus på målinger af Coulomb-modstand - friktionskoblingen mellem elektriske strømme i rumligt adskilte ledere - forskere fra Graphene Flagship, ledet af Marco Polini fra Nanoscience Institute of the National Research Council og Scuola Normale Superiore i Pisa, Italien, Vittorio Pellegrini, ved Graphene Labs ved det italienske teknologiske institut i Genova, og Andrea Ferrari fra Cambridge Graphene Centre, har fundet ud af, at modstandsmodstanden stiger markant ved temperaturer på mindre end omkring 5 Kelvin (-268,15 Celsius). Dette er et uventet resultat, afviger som den gør fra den sædvanlige temperaturafhængighed, der vises i svagt korrelerede Fermi-væsker:en teoretisk model, der beskriver opførselen af ​​de fleste elektrisk ledende materialer ved ultralave temperaturer.

I et papir offentliggjort for nylig i tidsskriftet Naturkommunikation , den første forfatter er Andrea Gamucci, forskerne rapporterer om en ny klasse af sammensatte elektroniske strukturer, hvor enkelt- eller tolagsgrafen er anbragt i umiddelbar nærhed af en kvantebrønd lavet af galliumarsenid.

En kvantebrønd, dannet af en halvleder med diskrete energiværdier, begrænser ladede partikelbevægelser til et todimensionalt plan. Kombination af grafen med en kvantebrønd resulterer i en heterostruktur dannet af to forskellige todimensionelle materialer, og en sådan sammensat samling kan bruges til at undersøge interaktionen mellem elektroner og elektronhuller. Et hul dannes, når en elektron exciteres til en højere energitilstand, efterlader en kvasipartikel i kølvandet, der opfører sig, som om den var en 'manglende' elektron, eller en elektron med positiv snarere end negativ ladning. Bemærk, at elektronhuller ikke er det samme som de fysisk rigtige anti-partikler kendt som positroner.

I tilfælde af grafen-GaAs-heterostrukturerne rapporteret i Naturkommunikation papir, Coulomb-modstandsmålingerne er i overensstemmelse med stærke interaktioner mellem materialelagene, med den attraktive elektrostatiske kraft mellem elektroner og huller i faststof-enheder, der forudsiges at resultere i superfluiditet og Bose-Einstein-kondensation. Med andre ord, den stærke interaktion mellem materialelag fører til kvanteeffekter, der manifesterer sig i store ensembler af elektroner og huller indespærret i mikrometerstore enheder.

"Vi viser, at sådanne effekter kan ske, når elektroner er indespærret i en tynd brønd lavet af galliumarsenid, med huller indespærret i enkeltlags- eller dobbeltlagsgrafen, " siger Polini. "Elektroner og huller adskilt af nogle få snese nanometer tiltrækker hinanden gennem en af ​​de stærkeste kræfter, der udvises i naturen – den elektriske kraft. Ved tilstrækkeligt lave temperaturer, vores eksperimenter afslører den mulige fremkomst af en superfluid fase, hvori modsatte strømme flyder i de to separate todimensionelle systemer." Pellegrini fortsætter:"Sådanne strømme flyder med minimal dissipation, og kan muliggøre en række sammenhængende elektroniske enheder, som spreder lidt energi." Ferrari tilføjer:"Dette er endnu et eksempel på banebrydende resultater muliggjort af den deterministiske samling af grafen og andre todimensionelle strukturer, som netop er det overordnede mål for Graphene Flagship."

Superfluiditet og Bose-Einstein-kondensering er fænomener med ultralav temperatur, så virkningerne beskrevet her i grafen-galliumarsenid-heterostrukturer vil ikke gælde for dagligdags elektroniske enheder. Stadig, der er mange applikationer, som kræver brug af kryogenisk kølet elektronik, og disse kunne udnytte unormalt lavtemperatur Coulomb-modstand i bulk todimensionelle materialer.

Eksempler på sådanne applikationer omfatter højtydende og kvanteberegning, spektroskopi, magnetisk og infrarød sansning, og analog-til-digital konvertering. Opdagelsen af ​​Graphene Flagship-forskerne, der er skitseret her, kunne gavne disse teknologiområder og mere.