Nieuw door Cornell geleid onderzoek wijst de weg naar een ongrijpbaar doel van natuurkundigen - superfluïditeit bij hoge temperaturen - door excitonen in atomair dunne halfgeleiders te onderzoeken.

een exciton, dat bestaat uit een gebonden elektron-gatpaar, is een mobiele energiebundel die kan bestaan ​​in isolatoren en halfgeleiders. Door excitonen met grote bindingsenergie te gebruiken, konden de onderzoekers de condensatietemperatuur honderdvoudig verhogen, van ongeveer 1 kelvin (-457,87 F) tot ongeveer 100 kelvin (-279,67 F). De kamertemperatuur is ongeveer 295 kelvin.

Hoewel de superfluïditeit bij hoge temperaturen nog moet worden aangetoond, dit robuuste Bose-Einstein-condensaat zou kunnen resulteren in helderder, efficiëntere verlichtingssystemen die conventionele leds overtreffen.

De paper van het onderzoeksteam, "Bewijs van hoge-temperatuur-excitoncondensatie in 2-D atomaire dubbele lagen, " werd gepubliceerd op 2 oktober in Natuur .

"De realisatie van een excitoncondensaat bij een veel hogere temperatuur dan eerdere studies biedt een opwindende mogelijkheid om deze kwantumfase van materie te onderzoeken onder aanzienlijk minder stringente experimentele omstandigheden, " zei postdoctoraal onderzoeker Zefang Wang, doctoraat '18, hoofdauteur van de krant.

Kwantumdeeltjes vallen in twee fundamentele klassen - bosonen en fermionen - die worden onderscheiden door hun spin. Bosonen zijn de socializers, blij om samen geclusterd te zijn; fermionen zijn als passagiers in een bus die niet bij elkaar willen zitten. Een type boson is het exciton, die bestaat uit twee fermionen - een elektron gepaard met een elektronengat, dat is de afwezigheid van een elektron in het systeem - die erin slagen hun antisociale neigingen te overwinnen en zich gelukkig aan andere deeltjes vast te klampen.

Excitonen in 2-D atomaire dubbele lagen zijn ook licht in massa en klein van formaat, zodat ze dicht op elkaar kunnen worden gepakt - veel meer dan atomen en excitonen in conventionele materialen - en zich collectief gedragen, die stroming zonder viscositeit of weerstand zou kunnen toestaan. Dit zijn ideale omstandigheden om condensatie en superfluïditeit bij hogere temperaturen te bereiken.

"Kwantumtoestanden van materie zijn meestal behoorlijk kwetsbaar. Daarom moet je ze afkoelen tot zeer, zeer lage temperatuur in een laboratorium, om ze te beschermen en te isoleren van de omgeving, " zei Kin Fai Mak, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen, co-senior auteur van de krant, samen met Jie Shan, hoogleraar toegepaste en technische fysica aan het College of Engineering.

"Maar, "Mak zei, "Als je een robuustere kwantumtoestand van materie kunt creëren die gelukkig leeft bij een hoge temperatuur, of zelfs bij omgevingscondities, dan kun je er veel mee doen."

Een van die mogelijke toepassingen is opto-elektronica. Bij conventionele LED's, excitonen gedragen zich onafhankelijk, in plaats van coöperatief, omdat ze niet in een gecondenseerde staat zijn. Maar eenmaal gecondenseerd, de deeltjes kunnen collectief veel effectiever recombineren en fotonen produceren.

"Je kunt eigenlijk veel helderder, energiezuinigere lichtbronnen dan conventionele leds, ' zei Mak.

Het team koos een uitgesproken "low-tech" benadering voor het samenstellen van hun condensatielagen:ze gebruikten doorzichtige tape om monolagen van atomen van kristallen af ​​te pellen en ze opnieuw te stapelen met de elektronen en gaten - gescheiden door ongeveer 1 nanometer en uitgelijnd om hun aantrekkingskracht te maximaliseren - vormen sociaal-liefhebbende bosonen.

"Een opmerkelijke eigenschap van het condensaat is dat de bosonen zonder weerstand kunnen stromen, "Zei Mak. "Wat het betekent is dat elke laag op zichzelf een supergeleider is. Dus een andere manier om een ​​supergeleider voor hoge temperaturen te maken, is door dit type structuur te maken en de weerstand op de individuele laag afzonderlijk te meten om te zien of deze geen weerstand heeft. En we werken aan dit soort experimenten."