Mystificerende experimentele resultaten die onafhankelijk van elkaar werden verkregen door twee onderzoeksgroepen in de VS, leken gekoppelde gaten en elektronen te laten zien die in de tegenovergestelde richting van de theorie bewegen.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe theoretische studie heeft het voorheen mysterieuze resultaat verklaard, door aan te tonen dat dit schijnbaar tegenstrijdige fenomeen wordt geassocieerd met de bandgap in dubbellaagse grafeenstructuren, een bandgap die veel kleiner is dan bij conventionele halfgeleiders.

De auteurs van de studie, waaronder FLEET-medewerker David Neilson aan de Universiteit van Camerino en FLEET CI Alex Hamilton aan de Universiteit van New South Wales, ontdekte dat de nieuwe multiband-theorie de voorheen onverklaarbare experimentele resultaten volledig verklaarde.

Exciton transport

Excitontransport biedt grote belofte aan onderzoekers, inclusief het potentieel voor toekomstige elektronica met ultralage dissipatie.

Een exciton is een samengesteld deeltje:een elektron en een 'gat' (een positief geladen 'quasi-deeltje' veroorzaakt door de afwezigheid van een elektron) aan elkaar verbonden door hun tegengestelde elektrische ladingen.

In een indirecte exciton, vrije elektronen in een 2D-plaat kunnen elektrostatisch worden gebonden aan gaten die vrij kunnen reizen in de aangrenzende 2D-plaat.

Omdat de elektronen en gaten elk beperkt zijn tot hun eigen 2D-platen, ze kunnen niet recombineren, maar ze kunnen elektrisch aan elkaar binden als de twee 2D-platen heel dicht bij elkaar liggen (enkele nanometers).

Als elektronen in de bovenste ('drive') plaat worden versneld door een aangelegde spanning, dan kan elk partnergat in het onderste ('slepen') blad worden 'gesleept' door zijn elektron.

Deze 'weerstand' op het gat kan worden gemeten als een geïnduceerde spanning over het sleepblad, en wordt Coulomb-weerstand genoemd.

Een doel in een dergelijk mechanisme is dat het exciton gebonden blijft, en om te reizen als een superfluïde, een kwantumtoestand zonder viscositeit, en dus zonder verspilde energieverspilling.

Om deze supervloeibare toestand te bereiken, nauwkeurig ontworpen 2D-materialen moeten slechts enkele nanometers uit elkaar worden gehouden, zodanig dat het gebonden elektron en gat veel dichter bij elkaar zijn dan bij hun buren in hetzelfde blad.

In het onderzochte apparaat een vel hexagonaal boornitride (hBN) scheidt twee vellen atomair dun (2-D) dubbellaags grafeen, met het isolerende hBN dat recombinatie van elektronen en gaten voorkomt.

Door een stroom door het ene blad te leiden en het sleepsignaal in het andere blad te meten, kunnen onderzoekers de interacties tussen elektronen in het ene blad en gaten in het andere meten. en om uiteindelijk een duidelijke signatuur van superfluïde vorming te detecteren.

Alleen recentelijk, nieuwe, Er zijn 2-D heterostructuren met voldoende dunne isolerende barrières ontwikkeld die ons in staat stellen om kenmerken te observeren die worden veroorzaakt door sterke elektron-gat-interacties.

Het onverklaarbare verklaren:negatieve weerstand

Echter, experimenten die in 2016 werden gepubliceerd, lieten uiterst raadselachtige resultaten zien. Onder bepaalde experimentele omstandigheden kan de Coulomb-weerstand bleek negatief te zijn - d.w.z. het verplaatsen van een elektron in de ene richting zorgde ervoor dat het gat in het andere vel in de tegenovergestelde richting bewoog!

Deze resultaten konden niet worden verklaard door bestaande theorieën.

In deze nieuwe studie deze raadselachtige resultaten worden verklaard met behulp van cruciale multibandprocessen die niet eerder in theoretische modellen waren overwogen.

Eerdere experimentele studies van Coulomb-weerstand waren uitgevoerd in conventionele halfgeleidersystemen, die veel grotere bandgaps hebben.

Dubbellaags grafeen heeft echter een zeer kleine bandgap, en het kan worden veranderd door de loodrechte elektrische velden van de metalen poorten die boven en onder het monster zijn geplaatst.

De berekening van transport in zowel geleidings- als valentiebanden in elk van de grafeendubbellagen was de 'missing link' die de theorie verbindt met experimentele resultaten. De vreemde negatieve weerstand vindt plaats wanneer de thermische energie de bandgap-energie nadert.

De sterke multibandeffecten beïnvloeden ook de vorming van exciton-superfluïden in dubbellaags grafeen, dus dit werk opent nieuwe mogelijkheden voor exploratie in exciton-superfluïden.

De studie, "Multibandmechanisme voor de tekenomkering van Coulomb Drag waargenomen in dubbele dubbelgelaagde grafeenheterostructuren, " door M. Zarenia, AR Hamilton, FM Peeters en D. Neilson werd gepubliceerd in: Fysieke beoordelingsbrieven in juli 2018.

Supervloeistoffen en FLEET

Exciton-superfluïden worden bestudeerd binnen FLEET's onderzoeksthema 2 vanwege hun potentieel om elektronische stroom zonder dissipatie te dragen, en zo het ontwerp van excitontransistoren met ultralage energie mogelijk te maken.

Het gebruik van dubbele atomair dunne (2-D) platen om de excitonen te dragen, zorgt voor een superfluïde stroming bij kamertemperatuur. wat essentieel is als de nieuwe technologie een levensvatbare 'voorbij CMOS'-technologie moet worden. Een bilayer-excitontransistor zou een dissipatieloze schakelaar zijn voor informatieverwerking.

In een superfluïde, verstrooiing is verboden door kwantumstatistieken, wat betekent dat elektronen en gaten zonder weerstand kunnen stromen.

In deze enkele zuivere kwantumtoestand, alle deeltjes stromen met hetzelfde momentum, zodat er geen energie verloren kan gaan door dissipatie.

FLEET (het Australian Research Council Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) brengt meer dan honderd Australische en internationale experts samen, met de gedeelde missie om een ​​nieuwe generatie ultra-lage energie-elektronica te ontwikkelen.

De drijfveer achter dergelijk werk is de toenemende uitdaging van de energie die wordt gebruikt bij de berekening, die 5-8% van de wereldwijde elektriciteit verbruikt en elk decennium verdubbelt.

Een belangrijke uitdaging van dergelijke ultraminiatuurapparaten is oververhitting - hun ultrakleine oppervlakken beperken de manieren waarop de warmte van elektrische stromen kan ontsnappen ernstig.