Международное исследование, опубликованное в августе, открывает новый путь к высокотемпературным сверхтокам при температурах столь же «теплых», как внутри кухонного холодильника.
Конечная цель – достичь сверхпроводимости (т. Е. Электрического тока без потерь энергии на сопротивление) при разумной температуре.
К СВЕРХПРОВОДИМОСТИ ПО КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Раньше сверхпроводимость была возможна только при непрактично низких температурах, ниже -170 ° C ниже нуля – даже Антарктика была бы слишком теплой!
По этой причине затраты на охлаждение сверхпроводников были высокими, что требовало дорогих и энергоемких систем охлаждения.
Сверхпроводимость при повседневных температурах – конечная цель исследователей в этой области.
Это новое полупроводниковое устройство на сверхрешетке могло бы стать основой радикально нового класса сверхнизкоэнергетической электроники со значительно меньшим потреблением энергии на вычисление, чем обычная электроника на основе кремния (КМОП).
Такая электроника, основанная на новых типах проводимости, в которых твердотельные транзисторы переключаются между нулем и единицей (т. Е. Двоичное переключение) без сопротивления при комнатной температуре, является целью Центра передового опыта FLEET.
ЭКСИТОННЫЕ НАГРУЗКИ В ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ
Поскольку противоположно заряженные электроны и дырки в полупроводниках сильно притягиваются друг к другу электрически, они могут образовывать прочно связанные пары.
Эти композитные частицы называются экситонами, и они открывают новые пути к проводимости без сопротивления при комнатной температуре.
Экситоны в принципе могут образовывать квантовое «сверхтекучее» состояние, в котором они движутся вместе без сопротивления. С такими прочно связанными экситонами сверхтекучесть должна существовать при высоких температурах – даже при комнатной температуре.
Но, к сожалению, из-за того, что электрон и дырка расположены так близко друг к другу, на практике экситоны имеют чрезвычайно короткое время жизни – всего несколько наносекунд, что недостаточно для образования сверхтекучей жидкости.
В качестве обходного решения электрон и дырка могут быть полностью разделены в двух разделенных атомарно тонких проводящих слоях, создавая так называемые “ пространственно непрямые ” экситоны. Электроны и дырки движутся по отдельным, но очень близким проводящим слоям. Это делает экситоны долгоживущими, и действительно, в таких системах недавно была обнаружена сверхтекучесть.
Противоток в экситонной сверхтекучей жидкости, в котором противоположно заряженные электроны и дырки движутся вместе в своих отдельных слоях, позволяет так называемым «сверхтокам» (электрические токи без диссипации) течь с нулевым сопротивлением и нулевыми потерями энергии. Таким образом, это явно захватывающая перспектива для будущей электроники со сверхнизким энергопотреблением.
СЛОЖНЫЕ СЛОИ ПРЕОДОЛЕНИЯ 2D-ОГРАНИЧЕНИЙ
Сара Конти, соавтор исследования, отмечает еще одну проблему: атомно-тонкие проводящие слои являются двумерными, а в 2D-системах существуют жесткие топологические квантовые ограничения, обнаруженные Дэвидом Таулессом и Майклом Костерлицем (Нобелевская премия 2016 г.), которые устраняют сверхтекучесть при очень низких температурах, выше -170 ° C.
Ключевое отличие от новой предлагаемой системы уложенных в стопку атомно-тонких слоев полупроводниковых материалов на основе дихалькогенидов переходных металлов (TMD) заключается в том, что она является трехмерной.
Топологические ограничения 2D преодолеваются с помощью этой трехмерной "сверхрешетки" тонких слоев. Чередующиеся слои легированы избыточными электронами (легированы n) и дырками (легированы p), и они образуют трехмерные экситоны.
Исследование предсказывает, что сверхтоки экситонов будут течь в этой системе при температурах до -3 ° C.
Дэвид Нейлсон, который много лет работал над сверхтекучестью экситонов и двумерными системами, говорит: «Предлагаемая трехмерная сверхрешетка выходит за рамки топологических ограничений двумерных систем, допуская сверхтоки при -3 ° C. Поскольку электроны и дырки так сильно связаны, дальнейшие улучшения конструкции должны довести это вплоть до комнатной температуры."
«Удивительно, но сегодня стало обычным делом производить стопки этих атомарно тонких слоев, выстраивая их атомарно и удерживая их вместе с помощью слабого атомного притяжения Ван-дер-Ваальса», – объясняет профессор Нейлсон. "И хотя наше новое исследование является теоретическим предложением, оно тщательно разработано, чтобы быть осуществимым с существующими технологиями."