Onderzoek door wetenschappers verbonden aan het Graphene Flagship van de EC heeft een supervloeibare fase onthuld in 2D-materialen met ultralage temperatuur, het potentieel creëren voor elektronische apparaten die zeer weinig energie dissiperen.

Op atomaire en moleculaire schaal, de wereld kan een heel vreemde plaats zijn, met alledaagse noties van temperatuur, energie en fysieke samenhang in de war gegooid. Met de realiteit op kwantumniveau moeten we het hebben over statistische waarschijnlijkheid en waarschijnlijkheid in plaats van over simpele oorzaak en gevolg van een biljartbal.

Neem het concept van superfluïditeit, een ultrakoude toestand waarin materie werkt als een vloeistof zonder viscositeit. Je kunt superfluïditeit zien als een gegeneraliseerd thermodynamisch analoog van de meer algemeen begrepen elektrische supergeleiding, waarbij elektronen zonder weerstand en energieverlies door materialen bewegen.

Superfluïditeit werd voor het eerst ontdekt in vloeibaar helium, bij temperaturen van slechts enkele graden boven het absolute nulpunt, maar het fenomeen is duidelijk op schalen variërend van atomair tot kosmisch. Het is gerelateerd aan de toestand van de materie die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat, waarin een groot deel van de deeltjes in bulkmaterie de laagste kwantumenergietoestand bezetten. de deeltjes, die zich bij hogere temperaturen willekeurig verplaatsen, lukrake mode, kan zich op deze manier gedragen als een coherent of op zijn minst quasi-coherent geheel, waardoor kwantummechanische effecten macroscopisch zichtbaar worden.

Fascinerend, zij het enigszins esoterische natuurkunde, maar er is een praktische kant aan superfluïditeit en Bose-Einstein-condensatie. Om te beginnen heeft het gevolgen voor het gedrag van elektronische apparaten, zij het gespecialiseerde die werken bij ultra-lage temperaturen. Daartoe heeft een groep onderzoekers, verbonden aan Europa's Graphene Flagship, de eigenschappen onderzocht van elektronen die bewegen in tweedimensionale structuren gevormd uit grafeen en galliumarsenide.

Grafeen is kristallijn koolstof gerangschikt in transparante, enkele atoomdikke lagen, met de koolstofatomen in een honingraatachtig rooster. De bekendste van de honderden tweedimensionale materialen die tot nu toe zijn ontdekt, grafeen heeft een aantal unieke elektrische, mechanische en andere eigenschappen die het een enorm potentieel geven voor toepassingen variërend van elektronica tot supersterke constructies.

Focussen op metingen van Coulomb-weerstand - de wrijvingskoppeling tussen elektrische stromen in ruimtelijk gescheiden geleiders - onderzoekers van het Graphene Flagship, geleid door Marco Polini van het Nanoscience Institute van de National Research Council en Scuola Normale Superiore in Pisa, Italië, Vittorio Pellegrini, aan de Graphene Labs van het Italiaanse Instituut voor Technologie in Genua, en Andrea Ferrari van het Cambridge Graphene Centre, hebben ontdekt dat de weerstandsweerstand aanzienlijk toeneemt bij temperaturen van minder dan ongeveer 5 Kelvin (-268,15 Celsius). Dit is een onverwacht resultaat, daarbij uitgaand van de gebruikelijke temperatuurafhankelijkheid die wordt weergegeven in zwak gecorreleerde Fermi-vloeistoffen:een theoretisch model dat het gedrag van de meeste elektrisch geleidende materialen bij ultralage temperaturen beschrijft.

In een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie , waarvan de eerste auteur Andrea Gamucci is, de onderzoekers rapporteren over een nieuwe klasse van samengestelde elektronische structuren waarin enkel- of dubbellaags grafeen zich in de buurt van een kwantumput bevindt die is gemaakt van galliumarsenide.

Een kwantumput, gevormd uit een halfgeleider met discrete energiewaarden, beperkt de beweging van geladen deeltjes tot een tweedimensionaal vlak. Het combineren van grafeen met een kwantumput resulteert in een heterostructuur gevormd uit twee verschillende tweedimensionale materialen, en zo'n samengesteld samenstel kan worden gebruikt om de interactie van elektronen en elektronengaten te onderzoeken. Een gat wordt gevormd wanneer een elektron wordt geëxciteerd naar een hogere energietoestand, een quasi-deeltje achterlatend dat zich gedraagt ​​alsof het een 'ontbrekend' elektron is, of een elektron met positieve in plaats van negatieve lading. Merk op dat elektronengaten niet hetzelfde zijn als de fysiek echte antideeltjes die bekend staan ​​als positronen.

In het geval van de grafeen-GaAs-heterostructuren die zijn gerapporteerd in de Natuurcommunicatie papier, de Coulomb-weerstandsmetingen zijn consistent met sterke interacties tussen de materiaallagen, met de aantrekkende elektrostatische kracht tussen elektronen en gaten in solid-state apparaten die naar verwachting resulteren in superfluïditeit en Bose-Einstein-condensatie. Met andere woorden, de sterke interactie tussen materiaallagen leidt tot kwantumeffecten die zich manifesteren in grote ensembles van elektronen en gaten die zijn opgesloten in micrometergrote apparaten.

"We laten zien dat dergelijke effecten kunnen optreden wanneer elektronen zijn opgesloten in een dunne put gemaakt van galliumarsenide, met gaten opgesloten in monolaag of dubbellaags grafeen, ", zegt Polini. "Elektronen en gaten van elkaar gescheiden door enkele tientallen nanometers trekken elkaar aan door een van de sterkste krachten die in de natuur worden vertoond:de elektrische kracht. Bij voldoende lage temperaturen, onze experimenten onthullen de mogelijke opkomst van een superfluïde fase, waarin tegengestelde stromen vloeien in de twee afzonderlijke tweedimensionale systemen." Pellegrini vervolgt:"Zulke stromen vloeien met minimale dissipatie, en kan een aantal coherente elektronische apparaten mogelijk maken die weinig energie dissiperen." Ferrari voegt toe:"Dit is een ander voorbeeld van geavanceerde resultaten mogelijk gemaakt door de deterministische assemblage van grafeen en andere tweedimensionale structuren, dat is precies het algemene doel van het Graphene Flagship."

Superfluïditeit en Bose-Einstein-condensatie zijn fenomenen bij ultralage temperaturen, dus de effecten die hier in grafeen-galliumarsenide heterostructuren worden beschreven, zijn niet van toepassing op alledaagse elektronische apparaten. Nog altijd, er zijn veel toepassingen die het gebruik van cryogeen gekoelde elektronica vereisen, en deze zouden abnormale Coulomb-weerstand bij lage temperatuur kunnen benutten in tweedimensionale bulkmaterialen.

Voorbeelden van dergelijke toepassingen zijn high-performance en quantum computing, spectroscopie, magnetische en infrarood detectie, en analoog-naar-digitaal conversie. De ontdekking van de Graphene Flagship-onderzoekers die hier worden geschetst, kan deze technologiegebieden en meer ten goede komen.