Kan een stapel 2D-materialen superstromen mogelijk maken bij baanbrekende warme temperaturen, gemakkelijk haalbaar in de huishoudelijke keuken?

Een internationale studie die in augustus werd gepubliceerd, opent een nieuwe route naar superstromen met hoge temperaturen bij temperaturen die zo "warm" zijn als in een keukenkoelkast.

Het uiteindelijke doel is het bereiken van supergeleiding (d.w.z. elektrische stroom zonder enig energieverlies aan weerstand) bij een redelijke temperatuur.

Op weg naar supergeleiding bij kamertemperatuur

Eerder, supergeleiding is alleen mogelijk bij onpraktisch lage temperaturen, minder dan -170°C onder nul - zelfs Antarctica zou veel te warm zijn!

Om deze reden, de koelingskosten van supergeleiders waren hoog, die dure en energie-intensieve koelsystemen vereisen.

Supergeleiding bij alledaagse temperaturen is het ultieme doel van onderzoekers in het veld.

Dit nieuwe superroosterapparaat met halfgeleiders zou de basis kunnen vormen van een radicaal nieuwe klasse van ultra-lage energie-elektronica met een veel lager energieverbruik per berekening dan conventionele, op silicium gebaseerde (CMOS) elektronica.

Dergelijke elektronica, gebaseerd op nieuwe soorten geleiding waarin solid-state transistors schakelen tussen nul en één (dwz binair schakelen) zonder weerstand bij kamertemperatuur, is het doel van het FLEET Centre of Excellence.

Exciton-superstromen in energiezuinige elektronica

Omdat tegengesteld geladen elektronen en gaten in halfgeleiders elektrisch sterk tot elkaar worden aangetrokken, ze kunnen nauw verbonden paren vormen. Deze samengestelde deeltjes worden excitonen genoemd, en ze openen nieuwe wegen naar geleiding zonder weerstand bij kamertemperatuur.

Excitonen kunnen in principe een kwantum vormen, "supervloeibare" toestand, waarin ze samen bewegen zonder weerstand. Met zulke strak gebonden excitonen, de superfluïditeit zou bij hoge temperaturen moeten bestaan, zelfs zo hoog als kamertemperatuur.

Maar helaas, omdat het elektron en het gat zo dicht bij elkaar staan, in de praktijk hebben excitonen een extreem korte levensduur - slechts enkele nanoseconden, niet genoeg tijd om een ​​superfluïde te vormen.

Als een tijdelijke oplossing, het elektron en het gat kunnen in tweeën volledig uit elkaar worden gehouden, gescheiden atomair dunne geleidende lagen, het creëren van zogenaamde "ruimtelijk indirecte" excitonen. De elektronen en gaten bewegen langs afzonderlijke maar zeer dichte geleidende lagen. Dit maakt de excitonen langlevend, en inderdaad, superfluïditeit is recentelijk waargenomen in dergelijke systemen.

Tegenstroom in het exciton superfluïde, waarin de tegengesteld geladen elektronen en gaten samen in hun afzonderlijke lagen bewegen, laat zogenaamde "superstromen" (dissipatieloze elektrische stromen) stromen zonder weerstand en zonder verspilde energie. Als zodanig, het is duidelijk een opwindend vooruitzicht voor de toekomst, ultra-low-energy elektronica.

Gestapelde lagen overwinnen 2D-beperkingen

Sara Conti, co-auteur van de studie, merkt echter een ander probleem op:atomair dunne geleidende lagen zijn tweedimensionaal, en in 2D-systemen zijn er rigide topologische kwantumbeperkingen ontdekt door David Thouless en Michael Kosterlitz (Nobelprijs 2016), die de superfluïditeit bij zeer lage temperaturen elimineren, boven ongeveer –170°C.

Het belangrijkste verschil met het nieuwe voorgestelde systeem van gestapelde atomair dunne lagen van overgangsmetaal dichalcogenide (TMD) halfgeleidende materialen, is dat het driedimensionaal is.

De topologische beperkingen van 2-D worden overwonnen door dit 3-D superrooster van dunne lagen te gebruiken. Afwisselende lagen zijn gedoteerd met overtollige elektronen (n-gedoteerd) en overtollige gaten (p-gedoteerd) en deze vormen de 3D-excitonen.

De studie voorspelt dat exciton-superstromen in dit systeem zullen stromen bij temperaturen tot -3°C.

David Neilson, die vele jaren heeft gewerkt aan exciton-superfluïditeit en 2D-systemen, zegt:"Het voorgestelde 3D-superrooster breekt met de topologische beperkingen van 2D-systemen, rekening houdend met superstromen bij –3°C. Omdat de elektronen en gaten zo sterk gekoppeld zijn, verdere ontwerpverbeteringen zouden dit recht op kamertemperatuur moeten brengen."

"Verbazingwekkend, het wordt tegenwoordig routine om stapels van deze atomair dunne lagen te produceren, ze atomair op een rij zetten, en ze samen te houden met de zwakke van der Waals atomaire aantrekkingskracht, " legt Prof Neilson uit. "En hoewel onze nieuwe studie een theoretisch voorstel is, het is zorgvuldig ontworpen om haalbaar te zijn met de huidige technologie."

De studie

De studie keek naar superfluïditeit in een stapel gemaakt van afwisselende lagen van twee verschillende monolaagmaterialen (n- en p-gedoteerde TMDC-transitiemetaaldichalcogeniden WS2 en WSe2).

De krant, "Driedimensionale elektron-gat superfluïditeit in een superrooster dicht bij kamertemperatuur, " werd gepubliceerd als Rapid Communication in Fysieke beoordeling B in augustus 2020.