Ny Cornell-ledd forskning pekar på vägen mot ett svårfångat mål för fysiker – högtemperaturs superfluiditet – genom att utforska excitoner i atomärt tunna halvledare.

En exciton, som består av ett bundet elektron-hål-par, är ett mobilt energiknippe som kan existera i isolatorer och halvledare. Genom att använda excitoner med stor bindningsenergi, forskarna kunde höja kondensationstemperaturen hundra gånger, från cirka 1 kelvin (-457,87 F) till cirka 100 kelvin (-279,67 F). Rumstemperaturen är cirka 295 kelvin.

Medan överfluiditet vid hög temperatur återstår att påvisa, detta robusta Bose-Einstein-kondensat kan resultera i ljusare, effektivare belysningssystem som överglänser konventionella lysdioder.

Forskargruppens uppsats, "Bevis på högtemperaturexcitonkondensation i 2-D atomiska dubbla lager, " publicerades 2 oktober in Natur .

"Förverkligandet av ett excitonkondensat vid mycket högre temperatur än tidigare studier ger en spännande möjlighet att utforska denna kvantfas av materia vid betydligt mindre stringenta experimentella förhållanden, " sa postdoktorn Zefang Wang, Ph.D. '18, tidningens huvudförfattare.

Kvantpartiklar delas in i två grundläggande klasser - bosoner och fermioner - som skiljer sig åt genom deras spinn. Bosoner är socialiserarna, glad över att vara samlad; fermioner är som passagerare på en buss som inte vill sitta nära varandra. En typ av boson är exciton, som består av två fermioner - en elektron parad med ett elektronhål, vilket är frånvaron av en elektron i systemet – som lyckas övervinna sina asociala tendenser och klamrar sig fast vid andra partiklar.

Excitoner i 2D-atomära dubbellager är också lätta i massan och små i storlek, så att de kan packas tätt ihop – mycket mer än atomer och excitoner i konventionella material – och uppföra sig kollektivt, som skulle kunna tillåta flöde utan viskositet eller motstånd. Dessa är idealiska förhållanden för att uppnå kondens och överflöde vid högre temperaturer.

"Materiens kvanttillstånd är vanligtvis ganska ömtåliga. Det är därför du måste kyla ner dem till mycket, mycket låg temperatur i ett labb, att skydda dem och isolera dem från miljön, sade Kin Fai Mak, docent i fysik vid College of Arts and Sciences, tidningens co-senior författare tillsammans med Jie Shan, professor i tillämpad och teknisk fysik vid Ingenjörshögskolan.

"Men, " sa Mak, "om du kan skapa ett mer robust kvanttillstånd av materia som lever lyckligt vid en hög temperatur, eller till och med i omgivande tillstånd, då finns det massor av saker du kan göra med det."

En av dessa potentiella tillämpningar är optoelektronik. I konventionella lysdioder, excitoner beter sig oberoende, snarare än att samarbeta, eftersom de inte är i ett kondenserat tillstånd. Men när det väl är kondenserat, partiklarna kan kollektivt rekombinera och producera fotoner mycket mer effektivt.

"Du kan faktiskt skapa mycket ljusare, mer energieffektiva ljuskällor än konventionella lysdioder, " sa Mak.

Teamet tog en avgjort "lågteknologisk" strategi för att sätta ihop sina kondenseringsskikt:De använde genomskinlig tejp för att dra av monolager av atomer från kristaller och stapla dem igen med elektronerna och hålen - separerade med cirka 1 nanometer och inriktade för att maximera deras attraktion - bildar socialt älskande bosoner.

"En enastående egenskap hos kondensatet är att bosonerna kan flöda utan motstånd, ", sa Mak. "Vad det betyder är att varje lager i sig är en supraledare. Så en annan väg för att skapa en högtemperatursupraledare är i grunden att tillverka den här typen av struktur och separat mäta resistansen på det individuella lagret för att se om det har noll motstånd. Och vi arbetar med den här typen av experiment."