Skulle en stapel av 2D-material tillåta superströmmar vid banbrytande varma temperaturer, lättillgänglig i hushållets kök?

En internationell studie som publicerades i augusti öppnar en ny väg till högtemperatursuperströmmar vid temperaturer som är lika "varma" som inuti ett kylskåp.

Det slutliga målet är att uppnå supraledning (dvs. elektrisk ström utan energiförlust till motstånd) vid en rimlig temperatur.

Mot rumstemperatur supraledning

Tidigare, supraledning har bara varit möjlig vid opraktiskt låga temperaturer, mindre än -170°C under noll – även Antarktis skulle vara alldeles för varmt!

Av denna anledning, kylningskostnaderna för supraledare har varit höga, kräver dyra och energikrävande kylsystem.

Supraledning vid vardagstemperaturer är det yttersta målet för forskare inom området.

Denna nya halvledarsupergitterenhet kan utgöra grunden för en radikalt ny klass av ultralågenergielektronik med mycket lägre energiförbrukning per beräkning än konventionella, kiselbaserad (CMOS) elektronik.

Sådan elektronik, baserat på nya typer av ledning där halvledartransistorer växlar mellan noll och ett (dvs. binär omkoppling) utan motstånd vid rumstemperatur, är målet för FLEET Center of Excellence.

Exciton-superströmmar i energieffektiv elektronik

Eftersom motsatt laddade elektroner och hål i halvledare är starkt attraherade till varandra elektriskt, de kan bilda tätt bundna par. Dessa sammansatta partiklar kallas excitoner, och de öppnar nya vägar mot ledning utan motstånd vid rumstemperatur.

Excitoner kan i princip bilda ett kvantum, "superfluid" tillstånd, där de rör sig tillsammans utan motstånd. Med så hårt bundna excitoner, superfluiditeten bör finnas vid höga temperaturer – även så hög som rumstemperatur.

Men tyvärr, eftersom elektronen och hålet är så nära varandra, i praktiken har excitoner extremt kort livslängd – bara några nanosekunder, inte tillräckligt med tid för att bilda en supervätska.

Som en lösning, elektronen och hålet kan hållas helt isär i två, separerade atomärt tunna ledande skikt, skapa så kallade "spatialt indirekta" excitoner. Elektronerna och hålen rör sig längs separata men mycket nära ledande skikt. Detta gör excitonerna långlivade, och faktiskt har överfluiditet nyligen observerats i sådana system.

motflöde i excitonsupervätskan, där de motsatt laddade elektronerna och hålen rör sig tillsammans i sina separata lager, tillåter så kallade "superströmmar" (förlustfria elektriska strömmar) att flyta med noll motstånd och noll slöseri med energi. Som sådan, det är helt klart en spännande framtidsutsikt, ultralågenergielektronik.

Staplade lager övervinner 2D-begränsningar

Sara Conti som är medförfattare till studien, noterar dock ett annat problem:atomärt tunna ledande skikt är tvådimensionella, och i 2D-system finns stela topologiska kvantbegränsningar upptäckta av David Thouless och Michael Kosterlitz (2016 Nobelpris), som eliminerar överfluiditeten vid mycket låga temperaturer, över cirka –170°C.

Den viktigaste skillnaden med det nya föreslagna systemet av staplade atomärt tunna lager av halvledande material för övergångsmetalldikalkogenid (TMD), är att den är tredimensionell.

De topologiska begränsningarna av 2-D övervinns genom att använda detta 3-D supergitter av tunna lager. Alternativa lager dopas med överskott av elektroner (n-dopade) och överskottshål (p-dopade) och dessa bildar 3-D-excitonerna.

Studien förutspår att exciton-superströmmar kommer att flöda i detta system vid temperaturer så varma som –3°C.

David Neilson, som har arbetat i många år med excitonsuperfluiditet och 2D-system, säger "Det föreslagna 3-D-supergittret bryter ut från de topologiska begränsningarna för 2-D-system, medger överströmmar vid –3°C. Eftersom elektronerna och hålen är så starkt kopplade, ytterligare designförbättringar bör bära detta ända upp till rumstemperatur."

"Otroligt, det börjar bli rutin idag att producera staplar av dessa atomärt tunna lager, placera dem atomärt, och hålla dem tillsammans med den svaga van der Waals atomattraktion, " förklarar prof Neilson. "Och medan vår nya studie är ett teoretiskt förslag, den är noggrant designad för att vara genomförbar med nuvarande teknik."

Studien

Studien tittade på superfluiditet i en stack gjord av alternerande lager av två olika monolagermaterial (n- och p-dopade TMDC övergångsmetalldikalkogenider WS2 och WSe2).

Pappret, "Tredimensionell elektronhålssuperfluiditet i ett supergitter nära rumstemperatur, " publicerades som en snabb kommunikation i Fysisk granskning B i augusti 2020.