Автор AZoNano 22 октября 2020 г.

Может ли стопка 2D-материалов учесть сверхтоки при невероятно высоких температурах, легко достижимых на домашней кухне?

Международное исследование, опубликованное в августе, открывает новый путь к высокотемпературным сверхтокам при температурах, столь же «теплых», как внутри кухонного холодильника.

Конечной целью является достижение сверхпроводимости (т. Е. Электрического тока без потерь энергии на сопротивление) при разумной температуре.

На пути к сверхпроводимости при комнатной температуре

Раньше сверхпроводимость была возможна только при непрактично низких температурах, ниже -170 ° C ниже нуля – даже Антарктика была бы слишком теплой!

По этой причине затраты на охлаждение сверхпроводников были высокими, что требовало дорогих и энергоемких систем охлаждения.

Сверхпроводимость при повседневных температурах – конечная цель исследователей в этой области.

Это новое полупроводниковое устройство на сверхрешетке могло бы стать основой радикально нового класса сверхнизкоэнергетической электроники со значительно меньшим потреблением энергии на вычисление, чем обычная электроника на основе кремния (КМОП).

Такая электроника, основанная на новых типах проводимости, в которой твердотельные транзисторы переключаются между нулем и единицей (т. Е. Двоичное переключение) без сопротивления при комнатной температуре, является целью Центра передового опыта FLEET.

Экситонные сверхтоки в энергоэффективной электронике

Поскольку противоположно заряженные электроны и дырки в полупроводниках сильно притягиваются друг к другу электрически, они могут образовывать прочно связанные пары. Эти составные частицы называются экситонами, и они открывают новые пути к проводимости без сопротивления при комнатной температуре.

Экситоны, в принципе, могут образовывать квантовое «сверхтекучее» состояние, в котором они движутся вместе без сопротивления. С такими прочно связанными экситонами сверхтекучесть должна существовать при высоких температурах – даже при комнатной температуре.

Но, к сожалению, из-за того, что электрон и дырка расположены так близко друг к другу, на практике экситоны имеют чрезвычайно короткое время жизни – всего несколько наносекунд, что недостаточно для образования сверхтекучей жидкости.

В качестве обходного пути электрон и дырка могут быть полностью разделены в двух отдельных атомно тонких проводящих слоях, создавая так называемые «пространственно непрямые» экситоны. Электроны и дырки движутся по отдельным, но очень близким проводящим слоям. Это делает экситоны долгоживущими, и действительно, в таких системах недавно была обнаружена сверхтекучесть

.

Противоток в экситонной сверхтекучей жидкости, в котором противоположно заряженные электроны и дырки движутся вместе в своих отдельных слоях, позволяет течению так называемых «сверхтоков» (электрических токов без диссипации) с нулевым сопротивлением и нулевыми потерями энергии. Таким образом, это явно захватывающая перспектива для будущей электроники со сверхнизким энергопотреблением.

Сложенные слои преодолевают ограничения 2D

Сара Конти, соавтор исследования, отмечает еще одну проблему: атомно-тонкие проводящие слои являются двумерными, а в 2D-системах существуют жесткие топологические квантовые ограничения, открытые Дэвидом Таулессом и Майклом Костерлицем (Nobel 2016 приз), которые устраняют сверхтекучесть при очень низких температурах, выше примерно –170 ° C.

Ключевое отличие от новой предложенной системы многослойных атомно-тонких слоев полупроводниковых материалов из дихалькогенидов переходных металлов (TMD) заключается в том, что она трехмерная .

Топологические ограничения 2D преодолеваются с помощью этой трехмерной "сверхрешетки" из тонких слоев. Чередующиеся слои легированы избыточными электронами (n-легированными) и избыточными дырками (p-легированными), и они образуют трехмерные экситоны.

Исследование предсказывает, что сверхтоки экситонов будут течь в этой системе при таких высоких температурах, как –3 ° C.

Дэвид Нейлсон, который много лет работал над сверхтекучестью экситонов и двумерными системами, говорит : «Предлагаемая трехмерная сверхрешетка выходит за рамки топологических ограничений двумерных систем, допуская сверхтоки при –3 ° C. Поскольку электроны и дырки так сильно связаны, дальнейшие усовершенствования конструкции должны довести это вплоть до комнатной температуры ».

«Удивительно, но сегодня стало обычной практикой производить стопки этих атомно-тонких слоев, выстраивая их атомарно и удерживая их вместе с помощью слабого атомного притяжения Ван-дер-Ваальса», – объясняет профессор Нейлсон . «И хотя наше новое исследование является теоретическим предложением, оно тщательно разработано, чтобы быть осуществимым с существующими технологиями»

Исследование

В исследовании изучалась сверхтекучесть в стопке, состоящей из чередующихся слоев двух различных однослойных материалов (дихалькогениды переходных металлов TMDC, легированные n и p, WS2 и WSe2).

Статья Трехмерная электронно-дырочная сверхтекучесть в сверхрешетке, близкой к комнатной температуре была опубликована как Rapid Communication в Physical Review B в августе 2020 года. (DOI 10.1103 / PhysRevB .102.060503).

Исследование проводилось под руководством профессора FLEET PI профессора Дэвида Нейлсона, работавшего с сотрудниками из Университета Антверпена (Бельгия), Университета Камерино (Италия) и Университета Южного Уэльса в Сиднее (Австралия).

Работа была поддержана Исследовательским фондом Фландрии, программой «Флагманские проекты будущего и новых технологий Европейского исследовательского пространства» и Австралийским исследовательским советом (программа «Центр передового опыта»).

Источник: http://www.fleet.org.au/[19459008visible