Køkkentemperatur superstrømme fra stablede 2-D materialer

Kunne en stak 2D-materialer tillade superstrømme ved banebrydende varme temperaturer, let opnåelig i husholdningens køkken?

En international undersøgelse offentliggjort i august åbner en ny vej til højtemperatur-superstrømme ved temperaturer lige så "varme" som inde i et køkkenkøleskab.

Det ultimative mål er at opnå superledning (dvs. elektrisk strøm uden energitab til modstand) ved en rimelig temperatur.

Mod stuetemperatur superledning

Tidligere, superledning har kun været mulig ved upraktisk lave temperaturer, mindre end -170°C under nul – selv Antarktis ville være alt for varmt!

Af denne grund, køleomkostningerne for superledere har været høje, kræver dyre og energikrævende kølesystemer.

Superledning ved hverdagstemperaturer er det ultimative mål for forskere på området.

Denne nye halvleder-supergitter-enhed kunne danne grundlaget for en radikalt ny klasse af ultra-lavenergielektronik med langt lavere energiforbrug pr. beregning end konventionel, siliciumbaseret (CMOS) elektronik.

Sådan elektronik, baseret på nye typer ledning, hvor halvledertransistorer skifter mellem nul og én (dvs. binær kobling) uden modstand ved stuetemperatur, er målet for FLEET Center of Excellence.

Exciton-superstrømme i energieffektiv elektronik

Fordi modsat ladede elektroner og huller i halvledere er stærkt tiltrukket af hinanden elektrisk, de kan danne tæt bundne par. Disse sammensatte partikler kaldes excitoner, og de åbner nye veje mod ledning uden modstand ved stuetemperatur.

Excitoner kan i princippet danne et kvante, "superflydende" tilstand, hvor de bevæger sig sammen uden modstand. Med så tæt bundne excitoner, superfluiditeten bør eksistere ved høje temperaturer - selv så høje som stuetemperatur.

Men desværre, fordi elektronen og hullet er så tæt på hinanden, i praksis har excitoner ekstremt korte levetider - kun et par nanosekunder, ikke tid nok til at danne en supervæske.

Som en løsning, elektronen og hullet kan holdes helt adskilt i to, adskilte atomisk tynde ledende lag, skabe såkaldte "spatialt indirekte" excitoner. Elektronerne og hullerne bevæger sig langs separate, men meget tætte ledende lag. Dette gør excitonerne langvarige, og faktisk er superfluiditet for nylig blevet observeret i sådanne systemer.

Modstrøm i exciton-supervæsken, hvor de modsat ladede elektroner og huller bevæger sig sammen i deres separate lag, tillader såkaldte "superstrømme" (dissipationsfri elektriske strømme) at flyde med nul modstand og nul spild energi. Som sådan, det er helt klart en spændende fremtidsudsigt, ultra-lav-energi elektronik.

Stablede lag overvinder 2D-begrænsninger

Sara Conti, som er medforfatter på undersøgelsen, bemærker dog et andet problem:atomisk tynde ledende lag er todimensionelle, og i 2-D systemer er der stive topologiske kvantebegrænsninger opdaget af David Thouless og Michael Kosterlitz (2016 Nobelprisen), der eliminerer overflødigheden ved meget lave temperaturer, over omkring –170°C.

Den vigtigste forskel med det nye foreslåede system af stablede atomisk tynde lag af overgangsmetal dichalcogenid (TMD) halvledende materialer, er, at den er tredimensionel.

De topologiske begrænsninger af 2-D overvindes ved at bruge dette 3-D supergitter af tynde lag. Alternative lag doteres med overskydende elektroner (n-dopet) og overskydende huller (p-doteret), og disse danner 3-D excitonerne.

Undersøgelsen forudsiger exciton-superstrømme i dette system ved temperaturer så varme som -3°C.

David Neilson, som har arbejdet i mange år med exciton-superfluiditet og 2-D-systemer, siger "Det foreslåede 3-D supergitter bryder ud fra de topologiske begrænsninger af 2-D systemer, giver mulighed for superstrømme ved –3°C. Fordi elektronerne og hullerne er så stærkt koblede, yderligere designforbedringer bør bringe dette helt op til stuetemperatur."

"Utroligt nok, det er ved at blive rutine i dag at producere stakke af disse atomare tynde lag, stille dem op atomisk, og holder dem sammen med den svage van der Waals atomare attraktion, " forklarer prof Neilson. "Og selvom vores nye undersøgelse er et teoretisk forslag, det er omhyggeligt designet til at være muligt med den nuværende teknologi."

Studiet

Undersøgelsen så på superfluiditet i en stak lavet af vekslende lag af to forskellige monolagsmaterialer (n- og p-dopet TMDC overgangsmetal dichalcogenider WS2 og WSe2).

Papiret, "Tredimensionel elektron-hul superfluiditet i et supergitter tæt på stuetemperatur, " blev udgivet som en hurtig kommunikation i Fysisk gennemgang B i august 2020.