Wyjaśnienie zagadkowych wyników - wielopasmowe podejście do przeciągania kulombowskiego i pośrednich ekscytonów

Plociuch #185 - Tajemniczy niepokojący film / wyjaśnienie zagadek i motywów (Lipiec 2019).

Anonim

Ujawniające wyniki eksperymentalne uzyskane niezależnie przez dwie grupy badawcze w USA zdawały się pokazywać sprzężone dziury i elektrony poruszające się w kierunku przeciwnym do teorii.

Teraz nowe teoretyczne badania wyjaśniły poprzednio tajemniczy wynik, pokazując, że to pozornie sprzeczne zjawisko jest związane z pasmem zabronionym w dwuwarstwowych strukturach grafenowych, pasmem bandy, który jest znacznie mniejszy niż w konwencjonalnych półprzewodnikach.

Autorzy badania, w tym współpracownik FLEET David Neilson z University of Camerino i FLEET CI Alex Hamilton z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii, odkryli, że nowa teoria wielopasmowa w pełni wyjaśniła wcześniej niewytłumaczalne wyniki eksperymentów.

Transport Exciton

Transport Exciton oferuje obiecującą możliwość dla naukowców, w tym potencjał dla elektroniki o bardzo niskiej dyssypacji.

Eksiton jest złożoną cząstką: elektronem i "dziurą" (dodatnio naładowanym "kwazicząstkiem" spowodowanym przez brak elektronu) związanymi razem przez ich przeciwne ładunki elektryczne.

W ekscytonie pośrednim wolne elektrony w jednym arkuszu 2D mogą być elektrostatycznie powiązane z otworami, które mogą swobodnie podróżować w sąsiednim arkuszu 2-D.

Ponieważ elektrony i dziury są ograniczone do ich własnych arkuszy 2D, nie mogą się one rekombinować, ale mogą się elektrycznie spajać, jeśli dwa arkusze 2-D są bardzo blisko (kilka nanometrów).

Jeśli elektrony w górnym ("dysku") arkuszu są przyspieszane przez przyłożone napięcie, to każdy otwór współdziałający w dolnym ("przeciągnij") arkuszu może być "przeciągnięty" przez jego elektron.

Ten "przeciągnięcie" na otworze może być mierzone jako indukowane napięcie na arkuszu przeciągania i jest określane jako przeciąganie Coulomba.

Celem takiego mechanizmu jest, aby ekscyton pozostał związany, i podróżował jako nadciekły, stan kwantowy o zerowej lepkości, a więc bez marnowanego rozpraszania energii.

Aby osiągnąć ten nadciekły stan, precyzyjnie zaprojektowane materiały 2D muszą znajdować się w odległości zaledwie kilku nanometrów, tak, że związany elektron i otwór są znacznie bliżej siebie niż sąsiadujące z nimi w tym samym arkuszu.

W badanym urządzeniu arkusz heksagonalnego azotku boru (hBN) oddziela dwa arkusze atomowo cienkiego (2-D) dwuwarstwowego grafenu, a izolujący hBN zapobiega rekombinacji elektronów i dziur.

Przepuszczenie prądu przez jeden arkusz i pomiar sygnału oporu w drugim arkuszu umożliwia eksperymentatorom pomiar interakcji między elektronami w jednym arkuszu i otworami w drugim oraz ostatecznie wykrycie wyraźnej sygnatury tworzenia nadcieczy.

Dopiero niedawno opracowano nowe heterostruktury 2-D z wystarczająco cienkimi barierami izolacyjnymi, które pozwalają nam obserwować cechy wynikające z silnych oddziaływań elektron-dziura.

Wyjaśnienie niewytłumaczalnego: ujemny opór

Jednak eksperymenty opublikowane w 2016 r. Wykazały niezwykle zagadkowe wyniki. W pewnych warunkach eksperymentalnych stwierdzono, że opór Coulomba był ujemny - tj. Przesuwanie elektronu w jednym kierunku powodowało, że otwór w drugim arkuszu poruszał się w przeciwnym kierunku!

Wyniki te nie mogą być wyjaśnione przez istniejące teorie.

W tym nowym badaniu te zagadkowe wyniki zostały wyjaśnione przy użyciu kluczowych wielopasmowych procesów, które wcześniej nie były uwzględniane w modelach teoretycznych.

Poprzednie eksperymentalne badania oporu kulombowskiego wykonano w konwencjonalnych układach półprzewodnikowych, które mają znacznie większe pasma zabronione.

Jednak dwuwarstwowy grafen ma bardzo mały pasmo zabronione i może być zmieniany przez prostopadłe pola elektryczne z metalowych bramek umieszczonych nad i pod próbką.

Obliczanie transportu w obu pasmach przewodzenia i wartościowości w każdej z dwuwarstw grafenowych było "brakującym ogniwem", które łączy teorię z wynikami eksperymentalnymi. Dziwny ujemny opór ma miejsce, gdy energia cieplna zbliża się do energii pasma wzbronionego.

Silne efekty wielopasmowe wpływają również na tworzenie nadciekłych ekscytonów w dwuwarstwowym grafenie, więc praca ta otwiera nowe możliwości eksploracji nadciekłych ekscytonów.

Badanie "Multiband Mechanism for Sign Reversal of Coulomb Drag Observed w Heterostrukturach Dwuwarstwowego Grafenu" autorstwa M. Zareni, AR Hamiltona, FM Peeters i D. Neilsona zostało opublikowane w Physical Review Letters w lipcu 2018 roku.

Superfluidy i FLOTA

Nadcieknięcia Exciton są badane w ramach tematu 2 FLEET's Research, pod kątem ich potencjalnego przenoszenia elektronowego prądu o zerowej dyssypacji, a tym samym umożliwiają zaprojektowanie tranzystorów ekscytonowych o ultra-niskiej energii.

Zastosowanie bliźniaczo cienkich (2-D) arkuszy do przenoszenia ekscytonów pozwoli na nadciekły przepływ w temperaturze pokojowej, co jest kluczowe, jeśli nowa technologia ma stać się rentowną technologią "poza CMOS". Tranzystor dwuwarstwowo-ekscytonowy byłby rozproszonym przełącznikiem przetwarzania informacji.

W nadciekle rozpraszanie jest zabronione przez statystyki kwantowe, co oznacza, że ​​elektrony i dziury mogą płynąć bez oporu.

W tym pojedynczym, czystym stanie kwantowym, wszystkie cząstki płyną z tym samym pędem, tak że żadna energia nie może zostać utracona przez rozproszenie.

FLEET (Australijskie Centrum Doskonałości Rady ds. Badań w Przyszłości energooszczędnych Technologii Elektronicznych) zrzesza ponad stu australijskich i międzynarodowych ekspertów, którzy wspólnie pracują nad stworzeniem nowej generacji energooszczędnej elektroniki.

Impulsem do podjęcia takich prac jest rosnące wyzwanie związane z energią wykorzystywaną w obliczeniach, która wykorzystuje 5-8% globalnej energii elektrycznej i podwaja się co dekadę.

Kluczowym wyzwaniem dla takich urządzeń ultra-miniaturowych jest przegrzewanie się - ich ultra-małe powierzchnie poważnie ograniczają drogi ucieczki ciepła przed prądami elektrycznymi.

menu
menu