Mystifierande experimentella resultat erhållna oberoende av två forskargrupper i USA verkade visa kopplade hål och elektroner som rörde sig i motsatt riktning mot teorin.

Nu, en ny teoretisk studie har förklarat det tidigare mystiska resultatet, genom att visa att detta till synes motsägelsefulla fenomen är associerat med bandgapet i grafenstrukturer med två lager, ett bandgap som är mycket mindre än i konventionella halvledare.

Studieförfattarna, som inkluderade FLEET-samarbetspartnern David Neilson vid University of Camerino och FLEET CI Alex Hamilton vid University of New South Wales, fann att den nya multibandsteorin till fullo förklarade de tidigare oförklarliga experimentella resultaten.

Exciton transport

Exciton transport erbjuder stort löfte till forskare, inklusive potentialen för framtida elektronik med ultralåg förlust.

En exciton är en sammansatt partikel:en elektron och ett "hål" (en positivt laddad "kvasipartikel" orsakad av frånvaron av en elektron) bundna till varandra av sina motsatta elektriska laddningar.

I en indirekt excitation, fria elektroner i ett 2-D-ark kan bindas elektrostatiskt till hål som är fria att röra sig i det intilliggande 2-D-arket.

Eftersom elektronerna och hålen är begränsade till sina egna 2D-ark, de kan inte kombineras igen, men de kan binda samman elektriskt om de två 2D-arken är väldigt nära (några nanometer).

Om elektroner i det översta ('drive') arket accelereras av en pålagd spänning, sedan kan varje partnerhål i det nedre ('drag') arket 'dras' av sin elektron.

Detta "drag" på hålet kan mätas som en inducerad spänning över dragplåten, och kallas Coulomb drag.

Ett mål i en sådan mekanism är att excitonen ska förbli bunden, och att resa som en supervätska, ett kvanttillstånd med noll viskositet, och därmed utan slöseri med energi.

För att uppnå detta superfluid tillstånd, exakt konstruerade 2D-material måste hållas bara några nanometer från varandra, så att den bundna elektronen och hålet är mycket närmare varandra än de är sina grannar i samma ark.

I den studerade enheten, ett ark av hexagonal bornitrid (hBN) separerar två ark av atomärt tunn (2-D) dubbelskiktsgrafen, med det isolerande hBN som förhindrar rekombination av elektroner och hål.

Att passera en ström genom det ena arket och mäta dragsignalen i det andra arket gör att experimentörer kan mäta interaktionen mellan elektroner i ett ark och hål i det andra, och för att slutligen detektera en tydlig signatur av superfluidbildning.

Bara nyligen, ny, 2D-heterostrukturer med tillräckligt tunna isolerande barriärer har utvecklats som tillåter oss att observera egenskaper som orsakas av starka elektron-hål-interaktioner.

Förklara det oförklarliga:negativ dragning

Dock, experiment som publicerades 2016 visade extremt förbryllande resultat. Under vissa experimentella förhållanden, Coulomb-motståndet visade sig vara negativt – det vill säga att flytta en elektron i en riktning fick hålet i det andra arket att röra sig i motsatt riktning!

Dessa resultat kunde inte förklaras av existerande teorier.

I denna nya studie, dessa förbryllande resultat förklaras med hjälp av avgörande flerbandsprocesser som inte tidigare hade beaktats i teoretiska modeller.

Tidigare experimentella studier av Coulomb drag hade utförts i konventionella halvledarsystem, som har mycket större bandgap.

Men tvåskiktsgrafen har ett mycket litet bandgap, och det kan ändras av de vinkelräta elektriska fälten från metallgrindarna placerade ovanför och under provet.

Beräkningen av transport i både lednings- och valensband i vart och ett av grafen-dubbelskikten var den "felande länken" som förenar teori med experimentella resultat. Det konstiga negativa motståndet inträffar när den termiska energin närmar sig bandgapenergin.

De starka multibandseffekterna påverkar också bildandet av excitonsuperfluider i tvåskiktsgrafen, så detta arbete öppnar nya möjligheter för utforskning av excitonsuperfluider.

Studien, "Multiband Mechanism for the Sign Reversing of Coulomb Drag observerad i dubbelskiktiga grafenheterostrukturer, " av M. Zarenia, A.R. Hamilton, F.M. Peeters och D. Neilson publicerades i Fysiska granskningsbrev i juli 2018.

Superfluids och FLEET

Exciton-supervätskor studeras inom FLEETs forskningstema 2 för deras potential att bära elektronisk ström med nollförlust, och därmed möjliggöra konstruktionen av excitontransistorer med ultralåg energi.

Användningen av dubbla atomärt tunna (2-D) ark för att bära excitonerna kommer att möjliggöra rumstemperatur superfluidflöde, vilket är nyckeln om den nya tekniken ska bli en livskraftig "beyond CMOS"-teknik. En dubbelskiktsexcitontransistor skulle vara en förlustfri switch för informationsbehandling.

I en övervätska, spridning är förbjuden av kvantstatistik, vilket gör att elektroner och hål kan flöda utan motstånd.

I denna singel, rent kvanttillstånd, alla partiklar flyter med samma rörelsemängd, så att ingen energi kan gå förlorad genom förlust.

FLEET (Australian Research Council Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) samlar över hundra australiska och internationella experter, med det gemensamma uppdraget att utveckla en ny generation ultralågenergielektronik.

Drivkraften bakom sådant arbete är den ökande utmaningen med energi som används i beräkningar, som använder 5–8 % av den globala elektriciteten och fördubblas varje decennium.

En viktig utmaning för sådana ultraminiatyrenheter är överhettning – deras ultrasmå ytor begränsar allvarligt sätten för värmen från elektriska strömmar att ta sig ut.