Crédito:Olivia Kong
¿Podría una pila de materiales 2-D permitir supercorrientes a temperaturas cálidas revolucionarias? fácilmente alcanzable en la cocina del hogar?
Un estudio internacional publicado en agosto abre una nueva ruta hacia las supercorrientes de alta temperatura a temperaturas tan "cálidas" como dentro de la nevera de una cocina.
El objetivo final es lograr la superconductividad (es decir, corriente eléctrica sin pérdida de energía por resistencia) a una temperatura razonable.
Hacia la superconductividad a temperatura ambiente
Previamente, La superconductividad solo ha sido posible a temperaturas imprácticamente bajas, menos de -170 ° C bajo cero, ¡incluso la Antártida estaría demasiado caliente!
Por esta razón, los costos de enfriamiento de los superconductores han sido altos, que requieren sistemas de refrigeración costosos y que consumen mucha energía.
La superconductividad a temperaturas diarias es el objetivo final de los investigadores en el campo.
Este nuevo dispositivo de superrejilla semiconductora podría formar la base de una clase radicalmente nueva de electrónica de energía ultrabaja con un consumo de energía por cálculo mucho menor que el convencional. Electrónica basada en silicio (CMOS).
Tal electrónica, basado en nuevos tipos de conducción en los que los transistores de estado sólido cambian entre cero y uno (es decir, conmutación binaria) sin resistencia a temperatura ambiente, es el objetivo del Centro de Excelencia FLEET.
Supercorrientes de excitación en electrónica energéticamente eficiente
Debido a que los electrones con carga opuesta y los huecos en los semiconductores se atraen fuertemente entre sí eléctricamente, pueden formar pares muy unidos. Estas partículas compuestas se llaman excitones, y abren nuevos caminos hacia la conducción sin resistencia a temperatura ambiente.
Los excitones pueden, en principio, formar un cuanto, estado "superfluido", en el que se mueven juntos sin resistencia. Con excitones tan estrechamente ligados, la superfluidez debe existir a altas temperaturas, incluso tan altas como la temperatura ambiente.
Los pares unidos de electrones y huecos (una partícula compuesta llamada excitón) se mueven en un cuanto 3D, Estado "superfluido" dentro de una "pila" de capas alternas. Los electrones y los huecos se mueven a lo largo de capas 2D separadas. Crédito:Olivia Kong
Pero desafortunadamente, porque el electrón y el agujero están tan juntos, en la práctica, los excitones tienen una vida útil extremadamente corta:solo unos pocos nanosegundos, no hay tiempo suficiente para formar un superfluido.
Como solución alternativa, el electrón y el agujero se pueden mantener completamente separados en dos, capas conductoras separadas atómicamente delgadas, creando los llamados excitones "espacialmente indirectos". Los electrones y los huecos se mueven a lo largo de capas conductoras separadas pero muy cercanas. Esto hace que los excitones duren mucho tiempo, y de hecho se ha observado recientemente superfluidez en tales sistemas.
Contraflujo en el superfluido de exciton, en el que los electrones y los huecos con carga opuesta se mueven juntos en sus capas separadas, permite que las llamadas "supercorrientes" (corrientes eléctricas sin disipación) fluyan con cero resistencia y cero energía desperdiciada. Como tal, es claramente una perspectiva emocionante para el futuro, Electrónica de energía ultrabaja.
Las capas apiladas superan las limitaciones de 2-D
Sara Conti, coautora del estudio, Sin embargo, observa otro problema:las capas conductoras atómicamente delgadas son bidimensionales, y en los sistemas 2-D hay restricciones cuánticas topológicas rígidas descubiertas por David Thouless y Michael Kosterlitz (premio Nobel de 2016), que eliminan la superfluidez a muy bajas temperaturas, por encima de unos –170 ° C.
La diferencia clave con el nuevo sistema propuesto de capas apiladas atómicamente delgadas de materiales semiconductores de dicalcogenuro de metal de transición (TMD), es que es tridimensional.
Las limitaciones topológicas de 2-D se superan mediante el uso de esta superrejilla 3D de capas delgadas. Las capas alternas se dopan con exceso de electrones (n-dopado) y exceso de agujeros (p-dopado) y estos forman los excitones 3-D.
El estudio predice que las supercorrientes de excitones fluirán en este sistema a temperaturas tan cálidas como –3 ° C.
David Neilson, que ha trabajado durante muchos años en superfluidez de excitones y sistemas 2-D, dice "La superrejilla 3-D propuesta rompe con las limitaciones topológicas de los sistemas 2-D, permitiendo supercorrientes a –3 ° C. Debido a que los electrones y los huecos están tan fuertemente acoplados, futuras mejoras de diseño deberían llevar esto hasta la temperatura ambiente ".
"Asombrosamente, hoy en día se está convirtiendo en una rutina producir pilas de estas capas atómicamente delgadas, alineándolos atómicamente, y manteniéndolos juntos con la débil atracción atómica de van der Waals, "explica el profesor Neilson." Y aunque nuestro nuevo estudio es una propuesta teórica, está cuidadosamente diseñado para que sea factible con la tecnología actual ".
El estudio
El estudio analizó la superfluidez en una pila hecha de capas alternas de dos materiales monocapa diferentes (dicalcogenuros de metales de transición TMDC dopados n y p WS2 y WSe2).
El papel, "Superfluidez tridimensional de huecos de electrones en una superrejilla cercana a la temperatura ambiente, "se publicó como Comunicación rápida en Revisión física B en agosto de 2020.
