Forskning av forskare knutna till EG:s flaggskepp grafen har avslöjat en superfluid fas i 2D-material med ultralåg temperatur, skapa potential för elektroniska enheter som släpper ut mycket lite energi.

På atomär och molekylär skala, världen kan vara en mycket konstig plats, med vardagliga föreställningar om temperatur, energi och fysisk sammanhang som störts i oordning. Med verkligheten på kvantnivå måste vi tala om statistisk sannolikhet och sannolikhet snarare än enkel biljardbolls orsak och verkan.

Ta begreppet superfluiditet, ett ultrakallt tillstånd där materia fungerar som en vätska med noll viskositet. Du kan tänka på superfluiditet som en generaliserad termodynamisk analog till den mer allmänt uppfattade elektriska supraledningsförmågan, varvid elektroner rör sig genom material utan motstånd och energiförlust.

Superfluiditet upptäcktes först i flytande helium, vid temperaturer på bara några grader över den absoluta nollpunkten, men fenomenet är uppenbart på skalor som sträcker sig från det atomära till det kosmiska. Det är relaterat till materiens tillstånd som kallas ett Bose-Einstein-kondensat, där en stor del av partiklarna i bulkmaterial upptar det lägsta kvantenergitillståndet. Partiklarna, som vid högre temperaturer rör sig slumpmässigt, slumpartat mode, kan på detta sätt uppträda som en sammanhängande eller åtminstone kvasi-koherent helhet, vilket ger kvantmekaniska effekter till makroskopisk synlighet.

Fascinerande om än något esoterisk fysik kan det vara, men det finns en praktisk sida av superfluiditet och Bose-Einstein-kondensering. För det första har det konsekvenser för elektroniska enheters beteende, om än specialister som arbetar vid ultralåga temperaturer. För detta ändamål har en grupp forskare med anknytning till Europas grafenflaggskepp undersökt egenskaperna hos elektroner som rör sig i tvådimensionella strukturer bildade av grafen och galliumarsenid.

Grafen är kristallint kol arrangerat i transparent, enda atomtjocka lager, med kolatomerna satta i ett bikakeliknande gitter. Det mest kända av de hundratals tvådimensionella material som hittills upptäckts, grafen har ett antal unika elektriska, mekaniska och andra egenskaper som ger den en enorm potential för applikationer som sträcker sig från elektronik till superstarka strukturer.

Med fokus på mätningar av Coulomb-motstånd – friktionskopplingen mellan elektriska strömmar i rumsligt separerade ledare – forskare från flaggskeppet Graphene, ledd av Marco Polini från Nanoscience Institute of the National Research Council och Scuola Normale Superiore i Pisa, Italien, Vittorio Pellegrini, vid Graphene Labs vid Italian Institute of Technology i Genova, och Andrea Ferrari från Cambridge Graphene Centre, har funnit att motståndskraften ökar markant vid temperaturer på mindre än runt 5 Kelvin (-268,15 Celsius). Detta är ett oväntat resultat, som avviker från det vanliga temperaturberoende som visas i svagt korrelerade Fermi-vätskor:en teoretisk modell som beskriver beteendet hos de flesta elektriskt ledande material vid ultralåga temperaturer.

I en artikel som nyligen publicerades i tidskriften Naturkommunikation , den första författaren är Andrea Gamucci, forskarna rapporterar om en ny klass av sammansatta elektroniska strukturer där en- eller tvåskiktsgrafen är placerad i omedelbar närhet av en kvantbrunn gjord av galliumarsenid.

En kvantbrunn, bildad av en halvledare med diskreta energivärden, begränsar laddad partikelrörelse till ett tvådimensionellt plan. Att kombinera grafen med en kvantbrunn resulterar i en heterostruktur som bildas av två olika tvådimensionella material, och en sådan sammansatt sammansättning kan användas för att undersöka interaktionen mellan elektroner och elektronhål. Ett hål bildas när en elektron exciteras till ett högre energitillstånd, lämnar i dess kölvatten en kvasipartikel som beter sig som om den vore en "saknad" elektron, eller en elektron med positiv snarare än negativ laddning. Observera att elektronhål inte är samma sak som de fysiskt verkliga antipartiklarna som kallas positroner.

I fallet med grafen-GaAs-heterostrukturerna som rapporteras i Naturkommunikation papper, Coulomb-motståndsmätningarna överensstämmer med starka interaktioner mellan materialskikten, med den attraktiva elektrostatiska kraften mellan elektroner och hål i solid-state-enheter som förutspås resultera i superfluiditet och Bose-Einstein-kondensation. Med andra ord, den starka interaktionen mellan materialskikten leder till kvanteffekter som manifesteras i stora ensembler av elektroner och hål inneslutna i mikrometerstora enheter.

"Vi visar att sådana effekter kan inträffa när elektroner är inneslutna i en tunn brunn gjord av galliumarsenid, med hål instängda i enskikts- eller dubbelskiktsgrafen, " säger Polini. "Elektroner och hål åtskilda av några tiotals nanometer attraherar varandra genom en av de starkaste krafterna som uppvisas i naturen – den elektriska kraften. Vid tillräckligt låga temperaturer, våra experiment avslöjar den möjliga uppkomsten av en superfluid fas, där motsatta strömmar flyter i de två separata tvådimensionella systemen." Pellegrini fortsätter:"Sådana strömmar flyter med minimal förlust, och kan möjliggöra ett antal sammanhängande elektroniska enheter som släpper ut lite energi. "Ferrari tillägger:" Detta är ett annat exempel på avancerade resultat som möjliggörs av den deterministiska sammansättningen av grafen och andra tvådimensionella strukturer, vilket är just det övergripande målet för flaggskeppet grafen."

Superfluiditet och Bose-Einstein-kondensering är fenomen med ultralåga temperaturer, så effekterna som beskrivs här i grafen-galliumarsenid-heterostrukturer kommer inte att gälla för vardagliga elektroniska enheter. Fortfarande, det finns många applikationer som kräver användning av kryogenisk kyld elektronik, och dessa skulle kunna utnyttja onormalt lågtemperatur Coulomb-motstånd i tvådimensionella bulkmaterial.

Exempel på sådana applikationer inkluderar högpresterande och kvantberäkningar, spektroskopi, magnetisk och infraröd avkänning, och analog-till-digital-omvandling. Upptäckten av Graphene Flagship-forskarna som beskrivs här kan gynna dessa teknikområden och mer.