Door een ultradunne halfgeleidersandwich te bombarderen met krachtige laserpulsen, natuurkundigen aan de Universiteit van Californië, rivieroever, hebben de eerste "elektronenvloeistof" bij kamertemperatuur gecreëerd.

De prestatie opent een weg voor de ontwikkeling van de eerste praktische en efficiënte apparaten om licht op terahertz-golflengten te genereren en te detecteren - tussen infrarood licht en microgolven. Dergelijke apparaten kunnen worden gebruikt in uiteenlopende toepassingen als communicatie in de ruimte, kankerdetectie, en scannen naar verborgen wapens.

Het onderzoek kan ook de verkenning van de basisfysica van materie op oneindig kleine schaal mogelijk maken en een tijdperk van kwantummetamaterialen inluiden, waarvan de structuren zijn ontworpen op atomaire afmetingen.

De natuurkundigen van de UCR publiceerden hun bevindingen online op 4 februari in het tijdschrift Natuurfotonica . Ze werden geleid door universitair hoofddocent natuurkunde Nathaniel Gabor, die het UCR Quantum Materials Optoelectronics Lab leidt. Andere co-auteurs waren laboratoriumleden Trevor Arp en Dennis Pleskot, en universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde Vivek Aji.

In hun experimenten, de wetenschappers construeerden een ultradunne sandwich van het halfgeleider molybdeen ditelluride tussen lagen koolstofgrafeen. De gelaagde structuur was net iets dikker dan de breedte van een enkel DNA-molecuul. Vervolgens bombardeerden ze het materiaal met supersnelle laserpulsen, gemeten in quadriljoensten van een seconde.

"Normaal gesproken, met halfgeleiders als silicium, laserexcitatie creëert elektronen en hun positief geladen gaten die diffunderen en ronddrijven in het materiaal, zo definieer je een gas, " zei Gabor. Echter, in hun experimenten, de onderzoekers ontdekten bewijs van condensatie tot het equivalent van een vloeistof. Een dergelijke vloeistof zou eigenschappen hebben die lijken op gewone vloeistoffen zoals water, behalve dat het zou bestaan, niet van moleculen, maar van elektronen en gaten in de halfgeleider.

"We waren bezig met het verhogen van de hoeveelheid energie die in het systeem wordt gedumpt, en we zagen niets, niets, niets - toen zagen we plotseling de vorming van wat we een 'abnormale fotostroomring' in het materiaal noemden, " zei Gabor. "We realiseerden ons dat het een vloeistof was omdat het groeide als een druppel, in plaats van zich als een gas te gedragen."

"Wat ons echt verbaasde, Hoewel, was dat het bij kamertemperatuur gebeurde, "zei hij. "Vroeger, onderzoekers die zulke elektron-gatvloeistoffen hadden gemaakt, hadden dat alleen kunnen doen bij temperaturen die kouder waren dan zelfs in de verre ruimte."

De elektronische eigenschappen van dergelijke druppeltjes zouden de ontwikkeling mogelijk maken van opto-elektronische apparaten die met ongekende efficiëntie werken in het terahertz-gebied van het spectrum, zei Gabor. Terahertz-golflengten zijn langer dan infrarode golven, maar korter dan microgolven, en er is een "terahertz-gat" in de technologie voor het gebruik van dergelijke golven. Terahertz-golven kunnen worden gebruikt om huidkanker en tandholten te detecteren vanwege hun beperkte penetratie en het vermogen om dichtheidsverschillen op te lossen. evenzo, de golven zouden kunnen worden gebruikt om defecten in producten zoals drugstabletten op te sporen en om wapens te ontdekken die onder kleding zijn verborgen.

Terahertz-zenders en -ontvangers kunnen ook worden gebruikt voor snellere communicatiesystemen in de ruimte. En, de elektron-gatvloeistof zou de basis kunnen zijn voor kwantumcomputers, die het potentieel bieden om veel kleiner te zijn dan op silicium gebaseerde circuits die nu in gebruik zijn, zei Gabor.

Algemener, Gabor zei, de technologie die in zijn laboratorium werd gebruikt, zou de basis kunnen zijn voor het ontwerpen van "kwantummetamaterialen, " met afmetingen op atoomschaal die nauwkeurige manipulatie van elektronen mogelijk maken om ervoor te zorgen dat ze zich op nieuwe manieren gedragen.

In verdere studies van de elektron-gat "nanopuddles, "De wetenschappers zullen hun vloeibare eigenschappen, zoals oppervlaktespanning, onderzoeken.

"Direct, we hebben geen idee hoe vloeibaar deze vloeistof is, en het zou belangrijk zijn om erachter te komen, ' zei Gabor.

Gabor is ook van plan de technologie te gebruiken om fundamentele fysieke verschijnselen te onderzoeken. Bijvoorbeeld, door de elektron-gatvloeistof af te koelen tot ultralage temperaturen, zou deze kunnen transformeren in een "kwantumvloeistof" met exotische fysieke eigenschappen die nieuwe fundamentele principes van materie zouden kunnen onthullen.

In hun experimenten, de onderzoekers gebruikten twee sleuteltechnologieën. Om de ultradunne sandwiches van molybdeenditelluride en koolstofgrafeen te construeren, ze gebruikten een techniek die 'elastisch stempelen' wordt genoemd. Bij deze methode, een kleverige polymeerfilm wordt gebruikt om atoomdikke lagen grafeen en halfgeleider op te pakken en te stapelen.

En om zowel energie in de halfgeleidersandwich te pompen als de effecten in beeld te brengen, ze gebruikten "multi-parameter dynamische fotoresponsmicroscopie", ontwikkeld door Gabor en Arp. Bij deze techniek, bundels van ultrasnelle laserpulsen worden gemanipuleerd om een ​​monster te scannen om de gegenereerde stroom optisch in kaart te brengen.