Transistorer är grunden för mikrochips och hela elektronikindustrin. Uppfinningen av transistorer, av Bardeen och Brattain 1947, belönad med ett Nobelpris, anses vara en av 1900-talets viktigaste upptäckter.

Traditionella transistorer är baserade på att modulera en elektrisk ström under ett elektriskt fält, vilket endast är möjligt med användning av halvledarmaterial. I halvledare finns det färre fria laddningsbärare jämfört med metaller, och Fermi-nivån (som är det termodynamiska arbetet som krävs för att lägga till en elektron till systemet) sitter i ett energibandgap, vilket innebär att elektroner är svårare att excitera.

Genom att dopa halvledare kan man skapa ett visst antal fria bärare, t.ex. i ett tomt band, som nu kan exciteras till större moment och därför kan leda elektrisk ström genom materialet.

Med halvledare är ett kontrollerat flöde av elektroner från en källa till ett handfat möjligt under applicering av ett elektriskt fält. Eftersom ström-spänningskarakteristiken för materialet är starkt olinjär, kan en elektrisk signal således förstärkas eller undertryckas, som i en p–n-övergångsdiod.

Varför är transistorer gjorda av halvledare och inte till exempel metaller? Med metallledare är det inte möjligt att tillverka transistorer på grund av det stora antalet fria (extremt rörliga) elektroner, som helt skärmar av det elektriska fältet inuti materialet.

I praktiken, så fort du slår på ett elektriskt fält över det ledande provet, rör sig alla elektroner nästan omedelbart inuti provet och omfördelas internt så att deras nya rumsliga fördelning skapar ett elektriskt fält som exakt upphäver det externt applicerade elektriska fältet.

Detta fenomen förhindrar alltså möjligheten att styra flödet av el (mikroskopiskt, flödet av fria elektroner) när ett externt elektriskt fält slås på över ledaren.

Nyligen har metalliska supraledare endast några nanometer tjocka använts experimentellt för att realisera en ny elektrisk fälteffekt som en gångbar väg mot metalliska transistorer. Supraledande material är metaller som, om de kyls ner under en viss kritisk temperatur, kan stödja flödet av elektroner utan motstånd. Med andra ord är de idealiska ledare där elektricitet kan föras igenom utan avledning eller motstånd.

Anledningen till detta till synes magiska beteende ligger i bildandet av elektronpar som hålls samman av ett "lim" som tillhandahålls av termiska gitterrörelser. Dessa par följer kvantstatistik (Bose-Einstein-statistik), vilket gör att ett stort antal partiklar (limmade elektronpar, i det här fallet) kan uppta det lägsta energitillståndet eller grundtillståndet.

Grundtillståndet bildar sedan en koherent kvantvågfunktion som är immun mot spridningsprocesser som genererar resistivitet, och därmed kan elektronerna flöda fritt genom materialet och bära elektricitet utan energiförlust.

Ett experimentteam ledd av Francesco Giazotto vid det italienska Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) observerade att ett yttre elektriskt fält med tillräcklig amplitud kan undertrycka den elektriska strömmen, som arbetade med dessa supraledande metallenheter. Detta fenomen möjliggör alltså användningen av den supraledande tunna filmen som en diod, eftersom vi nu kan styra den elektriska strömmen genom metallen genom att justera det externa elektriska fältet.

Även om experimenten gjordes med mycket vanliga konventionella material (t.ex. aluminium), kunde denna effekt inte förklaras av standardteorin om supraledning (som utvecklades av samma fysiker, John Bardeen, som var med och upptäckte transistorn och för vilken han tilldelades ett andra Nobelpris i fysik, ett ganska exceptionellt fall i historien).

Denna teori, känd som Bardeen-Cooper-Schrieffer- eller BCS-teorin, förklarar att gittrets termiska rörelser (fononer) tillhandahåller limmet som bildar elektronparen genom att överväldiga den frånstötande Coulomb-interaktionen mellan de två elektronerna.

De senaste åren har jag arbetat med en teori som generaliserar BCS-teorin till mycket tunna metalliska filmer, med en tjocklek på bara några nanometer eller till och med lägre än en nanometer.

I denna nya teori har jag matematiskt implementerat principen att kvantpartiklar som elektroner också är associerade med en våglängd. Om denna våglängd överstiger storleken på den tunna filmen, kan motsvarande elektron inte fortplanta sig genom provet.

Genom att räkna ut matematiken, tillsammans med min elev Riccardo Travaglino, kom jag på att motsvarande fördelning av elektrontillstånd i utrymmet för tillgängligt momenta (där en kvantpartikels rörelsemängd är proportionell mot inversen av dess våglängd) modifieras av geometrisk inneslutning.

I synnerhet fann vi att den så kallade Fermi-sfären, som beskriver det ockuperade momentet av fria elektrontillstånd i metaller, får två symmetriska sfäriska "hålfickor" av förbjudna tillstånd (se figuren ovan). Med hjälp av denna upptäckt kunde vi beräkna den kritiska temperatur vid vilken metallen blir supraledande, i utmärkt överensstämmelse med experimentella data.

Några månader senare, våren 2023, träffade jag professor Vladimir Fomin från Leibniz-institutet i Dresden, och jag illustrerade våra resultat för honom. Han påpekade omedelbart den potentiella relevansen av vår teori för den experimentella "supraledande metalliska dioden" som upptäcktes av Giazotto och medarbetare.

Under sommaren 2023 inledde vi alltså tillsammans med professor Fomin ett samarbete som syftade till att implementera inneslutningsteorin för att beskriva en supraledande tunn film under ett yttre elektriskt fält.

För denna nya teori var vi tvungna att ta hänsyn till det faktum att "limmet" som tillhandahålls av fononerna också påverkas av koncentrationen av fria elektroner, och så är deras Coulomb-avstötning. Dessa kvantiteter i sin tur påverkas båda starkt av inneslutningen av den tunna filmen.

Den nya teorin, som tar hänsyn till dessa avgörande aspekter, visar för första gången att den på lämpligt sätt modifierade mikroskopiska Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorin som redogör för inneslutning kan förutsäga det elektriska fält-inducerade undertryckandet av supraledande elektrisk ström på grund av kvantvågsinneslutningseffekter i ultraljud -tunna filmer.

I praktiken, på grund av inneslutningen, finns det hålfickor inne i Fermihavet som leder till en ökad täthet av tillstånd vid Fermiytan. Denna effekt förstärker i sin tur Coulomb-avstötningen mellan elektroner till den grad att ett elektriskt fält lätt kan bryta upp elektronparen som hålls samman av fonon-"limet". Teorin förklarar alltså att denna effekt blir större vid minskning av filmtjockleken, i överensstämmelse med experimentella observationer.

Tack vare denna nya teori kan en hel rad quantum gate-material utvecklas och optimeras i framtida applikationer. Dessutom förutspår inneslutningsteorin en ny topologisk övergång vid ytterligare reducering av filmtjockleken från en trivial topologi av Fermi-ytan till en icke-trivial topologi som är förknippad med en förändring i de elektroniska egenskaperna.

Vår forskning är publicerad i tidskriften Physical Review B .

Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om Science X Dialog och hur du deltar.