堆疊式2D材料的廚房溫度超電流

一堆二維材料是否可以在突破性的溫暖溫度下允許超電流通過，這在家用廚房中很容易實現?八月份發表的一項國際研究為高溫超電流打開了一條新途徑，這種高溫超電流的溫度與廚房冰箱內部一樣“溫暖”。最終目的是在合理的溫度下實現超導性(即電流，不會對電阻產生任何能量損失)。

邁向室溫超導

以前，只有在不切實際的低溫(低于零以下-170°C)下才可能實現超導，甚至南極也太溫暖了!

因此，超導體的冷卻成本很高，需要昂貴且耗能大的冷卻系統。

日常溫度下的超導性是該領域研究人員的最終目標。

這種新型的半導體超晶格器件可以構成一種全新的超低能耗電子產品的基礎，與傳統的基于硅的(CMOS)電子產品相比，其每次計算的能耗要低得多。

這種電子產品基于新型導電，其中固態晶體管在室溫下在零和一之間切換(即，二進制切換)而沒有電阻，這是FLEET卓越中心的目標。

節能電子中的激子超電流

由于半導體中帶相反電荷的電子和空穴之間會強烈地相互吸引，因此它們可以形成緊密結合的對。這些復合粒子稱為激子，它們在室溫下沒有阻力的情況下開辟了新的傳導途徑。

激子原則上可以形成量子“超流體”狀態，在這種狀態下，它們無阻力地一起運動。對于這樣緊密結合的激子，超流體應存在于高溫下，甚至與室溫一樣高。

束縛的電子和空穴對(稱為激子的復合粒子)以3D量子“超流體”狀態移動，位于交替層的“堆棧”中。電子和空穴沿著單獨的2D層移動。圖片來源：Olivia Kong

但不幸的是，由于電子和空穴之間的距離非常近，因此在實際中，激子的壽命極短，只有幾納秒，沒有足夠的時間形成超流體。

解決方法是，將電子和空穴完全分隔為兩個分開的原子薄的導電層，從而形成所謂的“空間間接”激子。電子和空穴沿著分開但非常接近的導電層移動。這使得激子壽命長，實際上最近在這種系統中觀察到了超流體。

激子超流體中的逆流，其中帶相反電荷的電子和空穴在它們各自的層中一起移動，使得所謂的“超電流”(無耗散電流)以零電阻和零浪費的能量流動。因此，對于未來的超低能耗電子產品而言，無疑是令人振奮的前景。

堆疊層克服了二維限制

該研究的合著者Sara Conti指出了另一個問題：原子薄的導電層是二維的，在二維系統中，David Thouless和Michael Kosterlitz(2016年諾貝爾獎)發現了嚴格的拓撲量子限制)，消除了在–170°C以上的極低溫度下的超流動性。

與新提出的堆疊過渡金屬二鹵化半導體(TMD)半導體原子薄層的系統的主要區別在于，它是三維的。

通過使用薄層的3-D超晶格可以克服2-D的拓撲限制。交替層中摻雜有過量的電子(n摻雜)和過量的空穴(p摻雜)，它們形成了3-D激子。

研究預測，在溫度高達–3°C時，激子超電流將在該系統中流動。

在激子超流體和二維系統上已經工作了多年的David Neilson說：“提出的3-D超晶格突破了二維系統的拓撲限制，允許在–3°C的超電流。因為電子而且孔之間的耦合非常緊密，進一步的設計改進應該使這種溫度上升到室溫。”

尼爾森教授解釋說：“令人驚訝的是，如今，生產這些原子薄層的疊層，原子排成一行并用弱的范德華原子吸引將它們固定在一起已成為一種常規。” “盡管我們的新研究是理論上的建議，但經過精心設計使其可以與現有技術一起使用。”