Traditionele transistors zijn gebaseerd op het moduleren van een elektrische stroom onder een elektrisch veld, wat alleen mogelijk is met halfgeleidermaterialen. In halfgeleiders zijn er minder vrije ladingsdragers vergeleken met metalen, en het Fermi-niveau (dat is de thermodynamische arbeid die nodig is om één elektron aan het systeem toe te voegen) bevindt zich in een energiebandkloof, wat impliceert dat elektronen moeilijker te exciteren zijn. /P>

Door halfgeleiders te doteren kan men een bepaald aantal vrije dragers creëren, bijvoorbeeld in een lege band, die nu kunnen worden geëxciteerd tot grotere impulsen en daardoor elektrische stroom door het materiaal kunnen voeren.

Met halfgeleiders is een gecontroleerde stroom van elektronen van een bron naar een put mogelijk onder toepassing van een elektrisch veld. Omdat de stroom-spanningskarakteristiek van het materiaal sterk niet-lineair is, kan een elektrisch signaal dus worden versterkt of onderdrukt, zoals bij een p-n-overgangsdiode.

Waarom zijn transistors gemaakt van halfgeleiders en niet bijvoorbeeld van metalen? Met metalen geleiders is het niet mogelijk om transistors te maken vanwege het grote aantal vrije (extreem mobiele) elektronen, die het elektrische veld in het materiaal volledig afschermen.

In de praktijk bewegen alle elektronen, zodra je een elektrisch veld over het geleidende monster inschakelt, vrijwel onmiddellijk binnen het monster en herverdelen ze zich intern, zodat hun nieuwe ruimtelijke verdeling een elektrisch veld creëert dat het extern aangelegde elektrische veld precies opheft. P>

Dit fenomeen verhindert dus de mogelijkheid om de stroom van elektriciteit (microscopisch gezien de stroom van vrije elektronen) te controleren wanneer een extern elektrisch veld over de geleider wordt ingeschakeld.

Onlangs zijn metalen supergeleiders van slechts een paar nanometer dik experimenteel gebruikt om een ​​nieuw elektrisch veldeffect te realiseren als een haalbare route naar metalen transistors. Supergeleidende materialen zijn metalen die, als ze worden afgekoeld tot onder een bepaalde kritische temperatuur, de stroom van elektronen zonder weerstand kunnen ondersteunen. Met andere woorden, het zijn ideale geleiders waar elektriciteit doorheen kan worden getransporteerd zonder dissipatie of weerstand.

De reden voor dit schijnbaar magische gedrag ligt in de vorming van elektronenparen die bij elkaar worden gehouden door een "lijm" die wordt verschaft door thermische bewegingen in het rooster. Deze paren voldoen aan de kwantumstatistieken (statistieken van Bose-Einstein), waardoor een groot aantal deeltjes (in dit geval gelijmde elektronenparen) de laagste energietoestand of grondtoestand kan innemen.

De grondtoestand vormt dan een coherente kwantumgolffunctie die immuun is voor verstrooiingsprocessen die weerstand genereren, en dus kunnen de elektronen vrij door het materiaal stromen en elektriciteit transporteren zonder energiedissipatie.

Een experimenteel team onder leiding van Francesco Giazotto van het Italiaanse Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) observeerde met deze supergeleidende metalen apparaten dat een extern elektrisch veld met voldoende amplitude de elektrische stroom kan onderdrukken. Dit fenomeen maakt het dus mogelijk om de supergeleidende dunne film als diode te gebruiken, omdat we nu de elektrische stroom door het metaal kunnen regelen door het externe elektrische veld af te stemmen.

Hoewel de experimenten werden uitgevoerd met behulp van zeer standaard conventionele materialen (bijvoorbeeld aluminium), kon dit effect niet worden verklaard door de standaardtheorie van supergeleiding (die werd ontwikkeld door dezelfde natuurkundige, John Bardeen, die mede de transistor ontdekte en waarvoor hij kreeg een tweede Nobelprijs voor natuurkunde, een vrij uitzonderlijk geval in de geschiedenis).

Deze theorie, bekend als de Bardeen-Cooper-Schrieffer- of BCS-theorie, legt uit dat de thermische bewegingen van het rooster (fononen) de lijm vormen die de elektronenparen vormt door de afstotende Coulomb-interactie tussen de twee elektronen te overweldigen.

De afgelopen jaren heb ik gewerkt aan een theorie die de BCS-theorie generaliseert naar zeer dunne metaalfilms, met een dikte van slechts enkele nanometers of zelfs lager dan één nanometer.

In deze nieuwe theorie heb ik het principe wiskundig geïmplementeerd dat kwantumdeeltjes zoals elektronen ook geassocieerd zijn met een golflengte. Als deze golflengte groter is dan de grootte van de dunne film, kan het overeenkomstige elektron zich niet door het monster voortplanten.

Door de wiskunde uit te werken, samen met mijn student Riccardo Travaglino, kwam ik erachter dat de overeenkomstige verdeling van elektronentoestanden in de ruimte van beschikbare impulsen (waar het momentum van een kwantumdeeltje evenredig is aan het omgekeerde van zijn golflengte) wordt gewijzigd door de geometrische opsluiting.

In het bijzonder ontdekten we dat de zogenaamde Fermi-sfeer, die de bezette impuls van vrije elektronentoestanden in metalen beschrijft, twee symmetrische bolvormige "gaten" van verboden toestanden verwerft (zie figuur hierboven). Met behulp van deze bevinding konden we de kritische temperatuur berekenen waarbij het metaal supergeleidend wordt, wat uitstekend overeenkomt met experimentele gegevens.

Een paar maanden later, in het voorjaar van 2023, ontmoette ik professor Vladimir Fomin van het Leibniz Instituut in Dresden, en ik illustreerde onze bevindingen voor hem. Hij wees onmiddellijk op de potentiële relevantie van onze theorie voor de experimentele 'supergeleidende metaaldiode' ontdekt door Giazotto en collega's.

In de zomer van 2023 zijn we daarom samen met professor Fomin een samenwerking aangegaan gericht op het implementeren van de opsluitingstheorie om een ​​supergeleidende dunne film onder een extern elektrisch veld te beschrijven.

Voor deze nieuwe theorie moesten we rekening houden met het feit dat de "lijm" die door de fononen wordt geleverd, ook wordt beïnvloed door de concentratie van vrije elektronen, en dat geldt ook voor hun Coulomb-afstoting. Deze hoeveelheden worden op hun beurt beide sterk beïnvloed door de opsluiting van de dunne film.

De nieuwe theorie, die rekening houdt met deze cruciale aspecten, laat voor het eerst zien dat de op passende wijze aangepaste microscopische Bardeen-Cooper-Schrieffer-theorie, die rekening houdt met opsluiting, de door elektrische velden geïnduceerde onderdrukking van supergeleidende elektrische stroom als gevolg van kwantumgolfopsluitingseffecten in ultra-ultra-golven kan voorspellen. -dunne films.

In de praktijk zijn er, als gevolg van de opsluiting, gaten in de Fermi-zee die leiden tot een verhoogde toestandsdichtheid aan het Fermi-oppervlak. Op zijn beurt versterkt dit effect de Coulomb-afstoting tussen elektronen in die mate dat een elektrisch veld gemakkelijk de elektronenparen kan verbreken die bij elkaar worden gehouden door de fonon-"lijm". De theorie legt dus uit dat dit effect groter wordt bij het verkleinen van de filmdikte, in overeenstemming met experimentele waarnemingen.

Dankzij deze nieuwe theorie kan een hele reeks kwantumpoortmaterialen worden ontwikkeld en geoptimaliseerd voor toekomstige toepassingen. Bovendien voorspelt de opsluitingstheorie een nieuwe topologische transitie bij het verder reduceren van de filmdikte van een triviale topologie van het Fermi-oppervlak naar een niet-triviale topologie geassocieerd met een verandering in de elektronische eigenschappen.

Ons onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review B .

Dit verhaal maakt deel uit van Science X Dialog, waar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over Science X Dialog en hoe u kunt deelnemen.