Sistema híbrido formado por la combinación de condensado de Bose-Einstein (BEC) y gas de electrones 2D (2DEG) en nuevos materiales 2D, como MoS2. Los electrones (esferas negras) se mueven en gas de electrones 2D (2DEG, capa superior), e interactuar con otras partículas presentes en las capas inferiores, donde electrones y huecos fotoexcitados (esferas grises, h.) forman pares de electrones-huecos ligados. Las líneas onduladas rojas representan las fuerzas de Coulomb que actúan entre partículas con cargas opuestas. Crédito:IBS
Comprender cómo se comportan las partículas en la zona de penumbra entre el mundo macro y el cuántico nos da acceso a fenómenos fascinantes, interesantes tanto desde la perspectiva de la física fundamental como desde la orientada a la aplicación. Por ejemplo, Los materiales ultrafinos similares al grafeno son un fantástico campo de juego para examinar el transporte y las interacciones de los electrones. Recientemente, investigadores del Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos (PCS), dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur), en colaboración con el Instituto Rzhanov de Física de Semiconductores (Rusia) han informado sobre un nuevo fenómeno de dispersión de electrones en materiales 2-D. El artículo se publica en Cartas de revisión física .
El equipo consideró una muestra que consta de dos subsistemas:uno hecho de partículas con espín entero (bosones) y el otro hecho de partículas con espín medio entero (fermiones).
Para el componente bosónico, modelaron un gas de excitones (pares electrón-positrón). A bajas temperaturas, La mecánica cuántica puede obligar a un gran número de partículas bosónicas a formar un condensado de Bose-Einstein (BEC). Este estado de la materia ha sido reportado en diferentes materiales, en particular, arseniuro de galio (GaAs), y se ha predicho en el disulfuro de molibdeno (MoS 2 ).
El subsistema fermiónico es un gas de electrones 2-D (2DEG), donde los electrones están limitados a moverse en dos dimensiones. Exhibe intrigantes fenómenos magnéticos y eléctricos, incluida la superconductividad, es decir, el paso de corriente sin resistividad. Estos fenómenos están relacionados con la dispersión de electrones, que se debe principalmente a las impurezas y fonones. Las últimas son vibraciones de la red cristalina. Su nombre deriva del griego 'phonos, 'que significa sonido, Dado que los fonones de longitud de onda larga dan lugar al sonido, pero también juegan un papel en la conductividad eléctrica dependiente de la temperatura de los metales.
Resistividad en función de la temperatura para MoS2 (rojo) y GaAs (verde) en sistemas híbridos BEC-2DEG. Las curvas de colores sólidos y discontinuos representan las contribuciones no convencionales con uno y dos bogolones, respectivamente. Guión negro punteado, y las curvas de trazos muestran las contribuciones de impurezas y fonones. Crédito:IBS
Los bosones y los fermiones son muy diferentes a nivel cuántico, Entonces, ¿qué sucede cuando combinamos BEC y 2DEG? Kristian Villegas, Meng Sun, Vadim Kovalev, e Ivan Savenko han modelado el transporte de electrones en tales sistemas híbridos.
Más allá de los fonones e impurezas convencionales, El equipo describió un mecanismo de dispersión de electrones no convencional en los sistemas híbridos BEC-2DEG:las interacciones de un electrón con uno o dos cuantos de Bogoliubov (o bogolones):excitaciones del BEC con momentos pequeños. Aunque los fonones y los bogolones comparten algunas características comunes, el equipo descubrió que tienen diferencias importantes.
Según los modelos, en MoS de alta calidad 2 en un cierto rango de temperaturas, la resistividad causada por pares de bogolones demostró ser dominante sobre la resistividad causada por bogolones individuales, fonones acústicos, bogolones simples, e impurezas. La razón de tal diferencia es el mecanismo de interacción entre electrones y bogolones, que es de naturaleza eléctrica, a diferencia de la interacción electrón-fonón descrita por las deformaciones de la muestra.
Esta investigación podría ser útil para el diseño de nuevos superconductores de alta temperatura. Una aparente paradoja vincula la conductividad y la superconductividad:los malos conductores suelen ser buenos superconductores. En el caso de interacciones electrón-fonón, algunos materiales que muestran mala conductividad, debido a la fuerte dispersión de electrones por fonones, pueden convertirse en buenos superconductores a temperaturas muy bajas. Por la misma razón, metales nobles, como el oro, son buenos conductores, pero malos superconductores. Si esto también es cierto para las interacciones electrón-bogolon, luego, los investigadores plantean la hipótesis de que diseñar un mal conductor, con alta resistividad causada por interacciones electrón-2 bogolones, podría conducir a superconductores "buenos".
"Este trabajo no solo abre perspectivas en el diseño de estructuras híbridas con disipación controlable, informa sobre la dependencia de la temperatura fundamentalmente diferente de la dispersión a bajas y altas temperaturas y arroja luz sobre la superconductividad mediada por condensado controlada ópticamente, "explica Ivan Savenko, el líder del equipo de Interacción Luz-Materia en Nanoestructuras (LUMIN) en PCS.
