Forvirrende resultater forklaret - en multiband tilgang til Coulomb træk og indirekte excitoner

Mystificerende eksperimentelle resultater opnået uafhængigt af to forskningsgrupper i USA syntes at vise koblede huller og elektroner, der bevæger sig i den modsatte retning af teori.

Nu, en ny teoretisk undersøgelse har forklaret det tidligere mystiske resultat, ved at vise, at dette tilsyneladende modstridende fænomen er forbundet med båndgabet i tolags grafenstrukturer, et båndgab, som er meget mindre end i konventionelle halvledere.

Forfatterne til undersøgelsen, som omfattede FLEET-samarbejdspartner David Neilson ved University of Camerino og FLEET CI Alex Hamilton ved University of New South Wales, fandt ud af, at den nye multiband-teori fuldt ud forklarede de tidligere uforklarlige eksperimentelle resultater.

Exciton transport

Exciton-transport giver store løfter til forskere, herunder potentialet for fremtidig elektronik med ultra-lav dissipation.

En exciton er en sammensat partikel:en elektron og et 'hul' (en positivt ladet 'kvasipartikel' forårsaget af fraværet af en elektron) bundet sammen af ​​deres modsatte elektriske ladninger.

I en indirekte excision, frie elektroner i ét 2-D ark kan bindes elektrostatisk til huller, der er frit til at bevæge sig i det tilstødende 2-D ark.

Fordi elektronerne og hullerne hver især er begrænset til deres egne 2-D ark, de kan ikke kombineres igen, men de kan elektrisk binde sammen, hvis de to 2-D ark er meget tætte (et par nanometer).

Hvis elektroner i det øverste ("drive") ark accelereres af en påført spænding, så kan hvert partnerhul i det nederste ("træk") ark "slæbes" af sin elektron.

Dette 'træk' på hullet kan måles som en induceret spænding over trækpladen, og omtales som Coulomb drag.

Et mål i en sådan mekanisme er, at excitonen forbliver bundet, og at rejse som en supervæske, en kvantetilstand med nul viskositet, og dermed uden spildt spild af energi.

For at opnå denne superflydende tilstand, præcist konstruerede 2D-materialer skal kun holdes nogle få nanometer fra hinanden, sådan at den bundne elektron og hul er meget tættere på hinanden, end de er på deres naboer i det samme ark.

I den undersøgte enhed, en plade af hexagonal bornitrid (hBN) adskiller to plader af atomisk tynd (2-D) dobbeltlagsgrafen, med det isolerende hBN, der forhindrer rekombination af elektroner og huller.

At føre en strøm gennem det ene ark og måle træksignalet i det andet ark gør det muligt for forsøgsledere at måle interaktionerne mellem elektroner i det ene ark og huller i det andet, og for i sidste ende at detektere en klar signatur af superfluiddannelse.

Først for nylig, ny, 2-D heterostrukturer med tilstrækkeligt tynde isolerende barrierer er blevet udviklet, der giver os mulighed for at observere træk bragt af stærke elektron-hul-interaktioner.

Forklaring af det uforklarlige:negativt træk

Imidlertid, eksperimenter offentliggjort i 2016 viste ekstremt forvirrende resultater. Under visse eksperimentelle forhold, Coulomb-modstanden viste sig at være negativ - dvs. at flytte en elektron i den ene retning fik hullet i det andet ark til at bevæge sig i den modsatte retning!

Disse resultater kunne ikke forklares med eksisterende teorier.

I denne nye undersøgelse, disse forvirrende resultater forklares ved hjælp af afgørende multi-band processer, som ikke tidligere var blevet overvejet i teoretiske modeller.

Tidligere eksperimentelle undersøgelser af Coulomb-modstand var blevet udført i konventionelle halvledersystemer, som har meget større båndgab.

Dog har tolagsgrafen et meget lille båndgab, og det kan ændres af de vinkelrette elektriske felter fra metalportene placeret over og under prøven.

Beregningen af ​​transport i både lednings- og valensbånd i hvert af grafen-dobbeltlagene var det 'missing link', der kombinerer teori med eksperimentelle resultater. Det mærkelige negative træk sker, når den termiske energi nærmer sig båndgab-energien.

De stærke multiband-effekter påvirker også dannelsen af ​​exciton-supervæsker i dobbeltlagsgrafen, så dette arbejde åbner nye muligheder for udforskning af exciton-supervæsker.

Studiet, "Multibåndsmekanisme for tegnvending af Coulomb-træk observeret i dobbeltlags grafen-heterostrukturer, " af M. Zarenia, A.R. Hamilton, F.M. Peeters og D. Neilson blev udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve i juli 2018.

Supervæsker og FLÅDE

Exciton-supervæsker studeres inden for FLEETs forskningstema 2 for deres potentiale til at føre elektronisk strøm med nul-spredning, og dermed tillade design af excitontransistorer med ultralav energi.

Brugen af ​​to atomisk tynde (2-D) ark til at bære excitonerne vil tillade rumtemperatur superfluid flow, hvilket er nøglen, hvis den nye teknologi skal blive en levedygtig 'beyond CMOS'-teknologi. En tolags-excitontransistor ville være en dissipationsfri switch til informationsbehandling.

I en supervæske, spredning er forbudt af kvantestatistikker, hvilket betyder at elektroner og huller kan flyde uden modstand.

I denne single, ren kvantetilstand, alle partikler flyder med samme momentum, så ingen energi kan gå tabt gennem dissipation.

FLEET (the Australian Research Council Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) samler over hundrede australske og internationale eksperter, med den fælles mission at udvikle en ny generation af ultra-lavenergielektronik.

Drivkraften bag et sådant arbejde er den stigende udfordring med energi, der bruges i beregninger, som bruger 5-8 % af den globale elektricitet og fordobles hvert årti.

En vigtig udfordring ved sådanne ultra-miniature-enheder er overophedning - deres ultra-små overflader begrænser alvorligt måderne, hvorpå varmen fra elektriske strømme kan undslippe.