Copie a temperaturii bucătăriei din materiale asamblate 2D

Excitonii sunt formați în toate straturile într-un super-mesh 3D semiconductor stivuit 2D. Credit: Olivia Kong

Electronică de putere foarte mică „direct din frigider”?

Poate un teanc de materiale 2D să permită super-curenți la temperaturi calde, care pot fi ușor realizate în bucătăria de acasă?

Un studiu internațional publicat în august deschide calea pentru fluxuri de temperaturi ridicate la temperaturi la fel de „calde” ca în interiorul unui frigider de bucătărie.

Scopul final este realizarea Superconductivitate (adică curent electric fără pierderi de energie la rezistor) la o temperatură rezonabilă.

Perechi de electroni și găuri cuplate

Perechile legate de electroni și găuri (o particulă compozită numită exciton) se mișcă într-o stare cuantică 3D, „superfluid”, într-un „teanc” de straturi alternante. Electronii și găurile se deplasează de-a lungul straturilor 2D separate. Credit: Olivia Kong

Spre supraconductivitate la temperatura camerei

Anterior, superconductivitatea era posibilă doar la temperaturi impracticabile scăzute, sub -170 ° C sub zero – chiar și Antarctica ar fi foarte caldă!

Din acest motiv, costurile de răcire a supraconductorilor au fost ridicate, necesitând sisteme de răcire scumpe și eficiente din punct de vedere energetic.

Superconductivitatea la temperaturi zilnice este scopul final al cercetătorilor din acest domeniu.

Acest nou dispozitiv cu super-rețea cu semiconductori ar putea sta la baza unei clase radical noi de electronice cu energie foarte scăzută, cu un consum extrem de redus de energie pentru calculul celui electronic electronic bazat pe siliciu (CMOS).

O astfel de electronică, bazată pe noi tipuri de conductivitate, în care tranzistoarele în stare solidă trec între zero și unul (adică comutator binar) fără rezistență la temperatura camerei, este obiectivul Centrului de Excelență FLEET.

Excitoni în Superrețea

Excitonii sunt formați în toate straturile într-un super-mesh 3D semiconductor stivuit 2D. Credit: Olivia Kong

Supracurenți excitoni în electronică eficientă din punct de vedere energetic

Deoarece electronii și găurile din semiconductorii cu sarcină inversă sunt puternic atrași unul de celălalt electric, ei pot forma perechi strâns legate. Aceste particule compozite se numesc excitoni și deschid noi căi de conducere fără rezistență la temperatura camerei.

Excitonii pot forma, în principiu, o stare cuantică, „superfluidă”, în care se mișcă împreună fără rezistență. Cu excitoni atât de strâns legați, superfluiditatea trebuie să existe la temperaturi ridicate – chiar și la temperatura camerei.

Dar, din păcate, deoarece electronul și orificiul sunt atât de apropiate, în practică excitonii au o durată de viață extrem de scurtă – doar câteva nanosecunde, nu suficient de lungi pentru a forma un superfluid.

Ca ieșire, electronul și orificiul pot fi ținute complet separate în două, separate atomikisht-subțire efectuarea straturilor, creând așa-numiții excitați „spațiali indirecți”. Electronii și găurile se deplasează de-a lungul straturilor conductoare separate, dar foarte aproape unul de celălalt. Acest lucru face ca excitonii să fie de lungă durată și, într-adevăr, sa observat recent superfluiditate în astfel de sisteme.

Contracurentul din superfluidul exciton, în care electronii și găurile încărcate invers se deplasează împreună în straturile lor separate, permite așa-numitelor „supracurenți” (curenți electrici care nu dispersează) să curgă cu rezistență zero și energie zero de pierdut. Ca atare, este cu siguranță o perspectivă interesantă pentru electronice viitoare, cu energie ultra scăzută.

Straturile agregate depășesc limitele 2D

Sara Conti, care este co-autor al studiului, observă totuși o altă problemă: straturile conductoare atomic subțiri sunt bidimensionale, iar în sistemele 2D există constrângeri topologice cuantice rigide descoperite de David Thouless și Michael Kosterlitz (Premiul Nobel 2016) , care elimină superfluiditatea la temperaturi foarte scăzute, peste aproximativ -170 ° C.

Principala diferență cu noul sistem propus de straturi subțiri atomic subțiri de materiale semiconductoare din metale de tranziție dicalkogen (TMD), este că tridimensional.

Limitările topologice 2D sunt depășite folosind această „super-plasă” 3D de straturi subțiri. Straturile alternative sunt dopate cu exces de electroni (n-dopat) și exces de găuri (p-dopat) și acestea formează excitoni 3D.

Studiul prezice că supercristalele excitonice vor curge în acest sistem la temperaturi calde precum -3 ° C.

David Neilson, care a lucrat mulți ani la superfluiditatea excitonului și la sistemele 2D, spune că „Suprapunerea 3D propusă provine din limitările topologice ale sistemelor 2D, permițând supracurenții la -3 ° C. Deoarece electronii și găurile sunt unite atât de strâns, îmbunătățirile ulterioare ale designului ar trebui să aducă acest drept la temperatura camerei. “

„În mod surprinzător, devine de rutină astăzi să producem stive din aceste straturi atomice subțiri, alinindu-le atomic și ținându-le împreună cu slaba atracție atomică a lui van der Waals”, explică prof. Neilson. „Și, deși noul nostru studiu este o propunere teoretică, a fost conceput cu atenție pentru a fi fezabil cu tehnologia actuală”.

STUDII

Studiul a analizat superfluiditatea într-un teanc format din straturi alternante din două materiale diferite cu un singur strat (dichalcogenide ale metalelor de tranziție TMDC dopate n și p2 și WSe2)

Referință: „Superfluația tridimensională a găurilor electronice într-o super mesh aproape de temperatura camerei” de M. Van der Donck, S. Conti, A. Perali, AR Hamilton, B. Partoens, FM Peeters și D. Neilson, 25 august 2020, Revizuirea fizică B.
DOI 10.1103 / PhysRevB.102.060503

Studiul a fost condus de profesorul FIET PI, David Neilson, care lucrează cu colaboratori la Universitatea din Antwerpen (Belgia), Universitatea din Camerino (Italia) și UNSW Sydney (Australia).

Lucrarea a fost susținută de Fundația de Cercetare Flandra, programul de cercetare a spațiului european pentru viitor și tehnologii emergente și Consiliul de cercetare australian (programul Centrul de excelență).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ouă de pasăre marine contaminate cu cocktail chimic de aditivi din plastic

Pui de pescăruș și ouă. Credit: profesorul Jon Blount Aditivii chimici utilizați în producția de plastic au fost găsiți în ouăle de pescăruș hering,...

Oglinzi comutabile create din metal lichid

Cercetătorii au dezvoltat o modalitate de a schimba în mod dinamic suprafața metalului lichid între stările reflectante (stânga sus și dreapta jos) și dispersie...

Dieta cu junk food poate crește riscul conducerii periculoase în rândul șoferilor de camioane

Dietele nesănătoase sunt asociate cu mai multă oboseală: principalul motiv al riscului crescut de accidente, spun cercetătorii. O dietă cu junk food poate crește oboseala...

Fotosinteza artificială promite o sursă de energie curată și durabilă

Oamenii pot face multe lucruri pe care plantele nu le pot face. Putem să ne plimbăm, putem vorbi, putem auzi și vedea și...

Gheața de mare din Arctica devine mai subțire de două ori mai repede decât era de așteptat

Gheața arctică în declin a Pământului este fără îndoială una dintre cele mai mari victime ale schimbărilor climatice, ale căror consecințe sunt de anvergură,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.