Una nueva investigación dirigida por Cornell está señalando el camino hacia un objetivo elusivo de los físicos, la superfluidez a alta temperatura, al explorar excitones en semiconductores atómicamente delgados.

Un excitón que consta de un par electrón-hueco ligado, es un paquete de energía móvil que puede existir en aisladores y semiconductores. Mediante el uso de excitones con gran energía de enlace, los investigadores pudieron aumentar la temperatura de condensación cien veces, desde aproximadamente 1 kelvin (-457,87 F) hasta aproximadamente 100 kelvin (-279,67 F). La temperatura ambiente ronda los 295 grados Kelvin.

Si bien queda por demostrar la superfluidez a altas temperaturas, este condensado robusto de Bose-Einstein podría resultar en más brillante, sistemas de iluminación más eficientes que eclipsan a los LED convencionales.

El artículo del equipo de investigación, "Evidencia de condensación de excitones a alta temperatura en capas dobles atómicas 2-D, "fue publicado el 2 de octubre en Naturaleza .

"La realización de un condensado de excitón a una temperatura mucho más alta que los estudios anteriores proporciona una oportunidad emocionante para explorar esta fase cuántica de la materia en condiciones experimentales significativamente menos estrictas, "dijo el investigador postdoctoral Zefang Wang, Doctor. '18, el autor principal del artículo.

Las partículas cuánticas se dividen en dos clases fundamentales, bosones y fermiones, que se diferencian por su giro. Los bosones son los socializadores feliz de estar agrupados; Los fermiones son como pasajeros de un autobús que no quieren sentarse uno cerca del otro. Un tipo de bosón es el excitón, que se compone de dos fermiones:un electrón emparejado con un agujero de electrones, que es la ausencia de un electrón en el sistema, que logra superar sus tendencias antisociales y se aferra felizmente a otras partículas.

Los excitones en las capas dobles atómicas 2-D también son de masa liviana y de tamaño diminuto, para que puedan empaquetarse densamente, mucho más que los átomos y excitones en materiales convencionales, y comportarse colectivamente, lo que podría permitir un flujo sin viscosidad ni resistencia. Estas son las condiciones ideales para lograr condensación y superfluidez a temperaturas más altas.

"Los estados cuánticos de la materia suelen ser bastante frágiles. Por eso hay que enfriarlos a muy, muy baja temperatura en un laboratorio, para protegerlos y aislarlos del medio ambiente, "dijo Kin Fai Mak, profesor asociado de física en la Facultad de Artes y Ciencias, el coautor principal del artículo junto con Jie Shan, profesor de física aplicada e ingeniería en la Facultad de Ingeniería.

"Pero, "Mak dijo, "si puede crear un estado cuántico de materia más robusto que viva felizmente a alta temperatura, o incluso en condiciones ambientales, entonces hay muchas cosas que puedes hacer con él ".

Una de esas aplicaciones potenciales es la optoelectrónica. En LED convencionales, los excitones se comportan de forma independiente, en lugar de cooperar, porque no están en un estado condensado. Pero una vez condensado, las partículas pueden recombinarse colectivamente y producir fotones de forma mucho más eficaz.

"De hecho, puede crear mucho más brillante, fuentes de luz más eficientes energéticamente que los LED convencionales, "Dijo Mak.

El equipo adoptó un enfoque decididamente "de baja tecnología" para ensamblar sus capas de condensación:utilizaron cinta transparente para despegar las monocapas de átomos de los cristales y volver a apilarlas con los electrones y los agujeros, separados por aproximadamente 1 nanómetro y alineados para maximizar su atracción. formando bosones de amor social.

"Una propiedad sobresaliente del condensado es que los bosones pueden fluir sin resistencia, "Dijo Mak." Lo que significa es que cada capa por sí misma es un superconductor. Entonces, otra ruta para crear un superconductor de alta temperatura es básicamente hacer este tipo de estructura y medir por separado la resistencia en la capa individual para ver si tiene resistencia cero. Y estamos trabajando en este tipo de experimento ".