I konventionella elektroniska enheter, elektricitet kräver rörelse av elektroner (blå sfärer) och deras positiva motsvarigheter, kallade hål (röda sfärer), som beter sig ungefär som gasmolekylerna i vår atmosfär. Även om de rör sig snabbt och kolliderar sällan i gasfasen, elektroner och hål kan kondensera till flytande droppar som liknar flytande vatten i enheter som består av ultratunna material. Upphovsman:QMO Lab, UC Riverside.
Genom att bombardera en ultratunn halvledarmacka med kraftfulla laserpulser, fysiker vid University of California, Riverside, har skapat den första "elektronvätskan" vid rumstemperatur.
Prestationen öppnar en väg för utveckling av de första praktiska och effektiva enheterna för att generera och detektera ljus vid terahertz -våglängder - mellan infrarött ljus och mikrovågor. Sådana enheter kan användas i så olika applikationer som kommunikation i yttre rymden, cancer upptäckt, och söker efter dolda vapen.
Forskningen kan också möjliggöra utforskning av materiens grundläggande fysik i oändligt små skalor och hjälpa till att inleda en era av kvantmetamaterial, vars strukturer är konstruerade med atomdimensioner.
UCR -fysikerna publicerade sina fynd online den 4 februari i tidningen Nature Photonics . De leddes av docent i fysik Nathaniel Gabor, som leder UCR Quantum Materials Optoelectronics Lab. Andra medförfattare var labmedlemmarna Trevor Arp och Dennis Pleskot, och docent i fysik och astronomi Vivek Aji.
I deras experiment, forskarna konstruerade en ultratunn smörgås av halvledaren molybden ditellurid mellan lager av kolgrafen. Den skiktade strukturen var bara något tjockare än bredden på en enda DNA -molekyl. De bombarderade sedan materialet med supersnabba laserpulser, mätt i kvadriljondelar av en sekund.
Genom att införliva avancerade bildtekniker med dataintensiva strategier utvecklade av UC Riverside -studenter som arbetar med NASA:s Jet Propulsion Laboratory, en ny typ av mikroskop har utvecklats som möjliggjorde den första observationen av en elektronisk vätska vid rumstemperatur. Upphovsman:QMO Lab, UC Riverside.
"I vanliga fall, med halvledare som kisel, laserexcitation skapar elektroner och deras positivt laddade hål som diffunderar och driver runt i materialet, så definierar du en gas, "Sade Gabor. Men i deras experiment, forskarna upptäckte bevis på kondens till motsvarigheten till en vätska. En sådan vätska skulle ha egenskaper som liknar vanliga vätskor som vatten, förutom att det skulle bestå, inte av molekyler, men av elektroner och hål i halvledaren.
"Vi höjde på mängden energi som dumpades i systemet, och vi såg ingenting, ingenting, ingenting - då såg vi plötsligt bildandet av vad vi kallade en 'avvikande fotströmring' i materialet, "Sa Gabor." Vi insåg att det var en vätska eftersom den växte som en droppe, snarare än att bete sig som en gas. "
"Det som verkligen förvånade oss, fastän, var att det hände vid rumstemperatur, "sa han." Tidigare har forskare som hade skapat sådana elektronhålsvätskor hade bara kunnat göra det vid temperaturer som var kallare än till och med på djupet. "
De elektroniska egenskaperna hos sådana droppar skulle möjliggöra utveckling av optoelektroniska enheter som fungerar med oöverträffad effektivitet i terahertz -området i spektrumet, Sa Gabor. Terahertz våglängder är längre än infraröda vågor men kortare än mikrovågor, och det har funnits ett "terahertz -gap" i tekniken för att använda sådana vågor. Terahertz -vågor kan användas för att upptäcka hudcancer och tandhålor på grund av deras begränsade penetration och förmåga att lösa densitetsskillnader. Liknande, vågorna kan användas för att upptäcka defekter i produkter som drogtabletter och för att upptäcka vapen dolda under kläder.
Terahertz -sändare och mottagare kan också användas för snabbare kommunikationssystem i yttre rymden. Och, elektronhålsvätskan kan vara grunden för kvantdatorer, som erbjuder potential att vara mycket mindre än kiselbaserade kretsar som nu används, Sa Gabor.
Mer allmänt, Gabor sa, tekniken som används i hans laboratorium kan vara grunden för att konstruera "kvantmetamaterial, "med atomskaldimensioner som möjliggör exakt manipulation av elektroner för att få dem att bete sig på nya sätt.
I ytterligare studier av nanopuddles av elektronhål, "forskarna kommer att utforska sina flytande egenskaper såsom ytspänning.
"Just nu, vi har ingen aning om hur flytande denna vätska är, och det skulle vara viktigt att ta reda på det, "Sa Gabor.
Gabor planerar också att använda tekniken för att utforska grundläggande fysiska fenomen. Till exempel, kylning av elektronhålsvätskan till ultralåga temperaturer kan få den att omvandlas till en "kvantvätska" med exotiska fysiska egenskaper som kan avslöja nya grundläggande principer för materia.
I deras experiment, forskarna använde två nyckelteknologier. För att konstruera de ultratunna smörgåsarna av molybden ditellurid och kolgrafen, de använde en teknik som kallades "elastisk stämpling". I denna metod, en klibbig polymerfilm används för att plocka upp och stapla atomtjocka lager av grafen och halvledare.
Och för att både pumpa energi i halvledarmackan och avbilda effekterna, de använde "multi-parameter dynamic photoresponse microscopy" utvecklat av Gabor och Arp. I denna teknik, strålar av ultrasnabba laserpulser manipuleras för att skanna ett prov för att optiskt kartlägga den genererade strömmen.
