Un electrón (e) acelerado en la hoja superior hace que se acelere un agujero (h) en la hoja inferior. Crédito:FLOTA
Los desconcertantes resultados experimentales obtenidos de forma independiente por dos grupos de investigación en los EE. UU. Parecían mostrar agujeros acoplados y electrones moviéndose en la dirección opuesta a la teoría.
Ahora, un nuevo estudio teórico ha explicado el resultado previamente misterioso, al mostrar que este fenómeno aparentemente contradictorio está asociado con la banda prohibida en las estructuras de grafeno de doble capa, una banda prohibida que es mucho más pequeña que en los semiconductores convencionales.
Los autores del estudio, que incluía al colaborador de FLEET David Neilson en la Universidad de Camerino y FLEET CI Alex Hamilton en la Universidad de Nueva Gales del Sur, encontró que la nueva teoría multibanda explicaba completamente los resultados experimentales previamente inexplicables.
Transporte de excitación
El transporte de excitación ofrece una gran promesa para los investigadores, incluyendo el potencial de electrónica futura de disipación ultrabaja.
Un excitón es una partícula compuesta:un electrón y un 'agujero' (una 'cuasipartícula' cargada positivamente causada por la ausencia de un electrón) unidos por sus cargas eléctricas opuestas.
En un excitón indirecto, Los electrones libres en una hoja 2-D se pueden unir electrostáticamente a agujeros que pueden viajar libremente en la hoja 2-D vecina.
Debido a que los electrones y los huecos están confinados a sus propias láminas bidimensionales, no pueden recombinarse, pero pueden unirse eléctricamente si las dos hojas 2-D están muy cerca (unos pocos nanómetros).
Si los electrones en la hoja superior ('impulso') son acelerados por un voltaje aplicado, luego, cada agujero asociado en la hoja inferior ('arrastrar') puede ser 'arrastrado' por su electrón.
Este 'arrastre' en el agujero se puede medir como un voltaje inducido a través de la hoja de arrastre, y se conoce como arrastre de Coulomb.
Un objetivo en tal mecanismo es que el excitón permanezca unido, y viajar como superfluido, un estado cuántico con viscosidad cero, y así sin desperdiciar energía.
Esquema del dispositivo:una hoja de grafeno bicapa conductor transporta electrones, el otro, separados por aislante hBN, lleva agujeros. Crédito:FLOTA
Para lograr este estado superfluido, Los materiales 2-D diseñados con precisión deben mantenerse a solo unos pocos nanómetros de distancia, de modo que el electrón ligado y el agujero están mucho más cerca uno del otro que de sus vecinos en la misma hoja.
En el dispositivo estudiado, una hoja de nitruro de boro hexagonal (hBN) separa dos hojas de grafeno bicapa atómicamente delgado (2-D), con el hBN aislante que evita la recombinación de electrones y huecos.
Pasar una corriente a través de una hoja y medir la señal de arrastre en la otra hoja permite a los experimentadores medir las interacciones entre los electrones en una hoja y los agujeros en la otra. y, en última instancia, detectar una firma clara de formación de superfluidos.
Solo recientemente, nuevo, Se han desarrollado heteroestructuras 2-D con barreras aislantes suficientemente delgadas que nos permiten observar características provocadas por fuertes interacciones electrón-agujero.
Explicando lo inexplicable:arrastre negativo
Sin embargo, Los experimentos publicados en 2016 mostraron resultados extremadamente desconcertantes. Bajo ciertas condiciones experimentales, Se encontró que el arrastre de Coulomb era negativo, es decir, mover un electrón en una dirección hacía que el agujero en la otra hoja se moviera en la dirección opuesta.
Estos resultados no pueden explicarse con las teorías existentes.
En este nuevo estudio, Estos desconcertantes resultados se explican utilizando procesos multibanda cruciales que no se habían considerado previamente en modelos teóricos.
Los estudios experimentales previos del arrastre de Coulomb se habían realizado en sistemas semiconductores convencionales, que tienen bandgaps mucho más grandes.
Sin embargo, el grafeno bicapa tiene una brecha de banda muy pequeña, y puede ser cambiado por los campos eléctricos perpendiculares de las puertas metálicas colocadas encima y debajo de la muestra.
El cálculo del transporte en las bandas de conducción y de valencia en cada una de las bicapas de grafeno fue el "eslabón perdido" que une la teoría con los resultados experimentales. La extraña resistencia negativa ocurre cuando la energía térmica se acerca a la energía de la banda prohibida.
Crédito:FLOTA
Los fuertes efectos multibanda también afectan la formación de superfluidos de excitones en el grafeno bicapa, por lo que este trabajo abre nuevas posibilidades de exploración en superfluidos de excitones.
El estudio, "Mecanismo multibanda para la inversión de signo del arrastre de Coulomb observado en heteroestructuras de grafeno bicapa doble, "por M. Zarenia, ARKANSAS. Hamilton, F.M. Peeters y D. Neilson se publicó en Cartas de revisión física en julio de 2018.
Superfluidos y FLOTA
Los superfluidos de excitación se estudian dentro del tema de investigación 2 de FLEET por su potencial para transportar corriente electrónica de disipación cero, y así permitir el diseño de transistores de excitón de energía ultrabaja.
El uso de láminas gemelas atómicamente delgadas (2-D) para transportar los excitones permitirá un flujo superfluido a temperatura ambiente, lo cual es clave para que la nueva tecnología se convierta en una tecnología viable "más allá de CMOS". Un transistor de excitón bicapa sería un interruptor sin disipación para el procesamiento de información.
En un superfluido la dispersión está prohibida por las estadísticas cuánticas, lo que significa que los electrones y los huecos pueden fluir sin resistencia.
En este single estado cuántico puro, todas las partículas fluyen con el mismo impulso, para que no se pierda energía por disipación.
FLEET (el Centro de Excelencia del Consejo de Investigación de Australia en Tecnologías Futuras de Electrónica de Baja Energía) reúne a más de cien expertos australianos e internacionales, con la misión compartida de desarrollar una nueva generación de electrónica de energía ultrabaja.
El ímpetu detrás de este trabajo es el creciente desafío de la energía utilizada en la computación, que utiliza del 5 al 8% de la electricidad mundial y se duplica cada década.
Un desafío clave de estos dispositivos ultraminiatura es el sobrecalentamiento:sus superficies ultrapequeñas limitan seriamente las formas de escape del calor de las corrientes eléctricas.
