Superstromen op de keukentemperatuur van gestapelde 2D-materialen

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

Een in augustus gepubliceerde internationale studie opent een nieuwe weg naar superstromen op hoge temperatuur bij temperaturen die zo “warm” zijn als in een keukenkoelkast.

Het uiteindelijke doel is om supergeleiding (dwz elektrische stroom zonder enig energieverlies door weerstand) te bereiken bij een redelijke temperatuur.

Op weg naar supergeleiding bij kamertemperatuur

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

Om deze reden zijn de koelingskosten van supergeleiders hoog, waardoor dure en energie-intensieve koelsystemen nodig zijn.

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

Dit nieuwe halfgeleider-superrooster-apparaat zou de basis kunnen vormen van een radicaal nieuwe klasse van ultra-low-energy elektronica met een aanzienlijk lager energieverbruik per berekening dan conventionele, op silicium gebaseerde (CMOS) elektronica.

Dergelijke elektronica, gebaseerd op nieuwe soorten geleiding waarbij transistors in vaste toestand bij kamertemperatuur zonder weerstand tussen nul en één schakelen (dwz binair schakelen), is het doel van het FLEET Center of Excellence.

Exciton-superstromen in energiezuinige elektronica

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

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

Maar helaas, omdat het elektron en het gat zo dicht bij elkaar liggen, hebben excitonen in de praktijk een extreem korte levensduur – slechts een paar nanoseconden, niet genoeg tijd om een ​​supervloeistof te vormen.

Als tijdelijke oplossing kunnen het elektron en het gat volledig uit elkaar worden gehouden in twee gescheiden atomair dunne geleidende lagen, waardoor zogenaamde “ruimtelijk indirecte” excitonen ontstaan. De elektronen en gaten bewegen langs afzonderlijke maar zeer dichte geleidende lagen. Dit maakt de excitonen langlevend, en inderdaad is onlangs superfluïditeit waargenomen in dergelijke systemen.

Tegenstroom in het exciton supervloeistof, waarin de tegengesteld geladen elektronen en gaten samen bewegen in hun afzonderlijke lagen, laat zogenaamde “superstromen” (dissipatieloze elektrische stromen) stromen zonder weerstand en nul verspilde energie. Als zodanig is het duidelijk een opwindend vooruitzicht voor toekomstige, ultra-energiezuinige elektronica.

Gestapelde lagen overwinnen 2D-beperkingen

Sara Conti, die co-auteur is 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 elimineren bij zeer lage temperaturen, 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 3D-superrooster van dunne lagen te gebruiken. Afwisselende lagen worden gedoteerd met overtollige elektronen (n-gedoteerd) en overtollige gaten (p-gedoteerd) en deze vormen de 3-D excitonen.

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

David Neilson, die jarenlang aan exciton-superfluïditeit en 2D-systemen heeft gewerkt, zegt: “Het voorgestelde 3D-superrooster breekt uit de topologische beperkingen van 2D-systemen, waardoor superstromen bij -3 ° C mogelijk zijn. en gaten zijn zo sterk aan elkaar gekoppeld, verdere ontwerpverbeteringen zouden dit tot kamertemperatuur moeten dragen. “

“Verbazingwekkend genoeg wordt het tegenwoordig routine om stapels van deze atomair dunne lagen te produceren, ze atomair uit te lijnen 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, is het 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 monolaag materialen (n- en p-gedoteerde TMDC-overgangsmetaal dichalcogeniden WS2 en WSe2).

Het artikel “Driedimensionale elektron-gat superfluïditeit in een superrooster dichtbij kamertemperatuur” werd gepubliceerd als Rapid Communication in Fysieke beoordeling B in augustus 2020.