Uma nova pesquisa liderada por Cornell está apontando o caminho em direção a um objetivo indescritível dos físicos - superfluidez em alta temperatura - ao explorar excitons em semicondutores atomicamente finos.

Um exciton, que consiste em um par elétron-buraco ligado, é um feixe móvel de energia que pode existir em isoladores e semicondutores. Ao usar excitons com grande energia de ligação, os pesquisadores foram capazes de aumentar a temperatura de condensação cem vezes, de cerca de 1 Kelvin (-457,87 F) a cerca de 100 Kelvin (-279,67 F). A temperatura ambiente é de cerca de 295 Kelvin.

Embora a superfluidez de alta temperatura ainda precise ser demonstrada, este condensado de Bose-Einstein robusto pode resultar em mais brilhante, sistemas de iluminação mais eficientes que superam os LEDs convencionais.

O artigo da equipe de pesquisa, "Evidência de condensação de exciton de alta temperatura em camadas duplas atômicas 2-D, "foi publicado em 2 de outubro em Natureza .

"A realização de um condensado de exciton em temperatura muito mais alta do que estudos anteriores oferece uma oportunidade empolgante de explorar esta fase quântica da matéria em condições experimentais significativamente menos rigorosas, "disse o pesquisador de pós-doutorado Zefang Wang, Ph.D. '18, o autor principal do artigo.

As partículas quânticas se enquadram em duas classes fundamentais - bósons e férmions - que são diferenciadas por seu spin. Os bósons são os socializadores, feliz por estar agrupado; os férmions são como os passageiros de um ônibus que não querem se sentar perto uns dos outros. Um tipo de bóson é o exciton, que é composta por dois férmions - um elétron emparelhado com um buraco de elétron, que é a ausência de um elétron no sistema - que conseguem superar suas tendências anti-sociais e se agarram alegremente a outras partículas.

Excitons em camadas duplas atômicas 2-D também são leves em massa e minúsculos em tamanho, então eles podem ser compactados densamente juntos - muito mais do que átomos e excitons em materiais convencionais - e se comportar coletivamente, que poderia permitir o fluxo sem viscosidade ou resistência. Estas são as condições ideais para obter condensação e superfluidez em altas temperaturas.

"Os estados quânticos da matéria são geralmente muito frágeis. É por isso que você precisa resfriá-los para muito, temperatura muito baixa em um laboratório, para protegê-los e isolá-los do meio ambiente, "disse Kin Fai Mak, professor associado de física na Faculdade de Artes e Ciências, o co-autor sênior do artigo junto com Jie Shan, professor de física aplicada e de engenharia na Faculdade de Engenharia.

"Mas, "Mak disse, "se você pode criar um estado quântico mais robusto da matéria que vive feliz em altas temperaturas, ou mesmo em condições ambientais, então, há muitas coisas que você pode fazer com ele. "

Uma dessas aplicações potenciais é a optoeletrônica. Em LEDs convencionais, excitons se comportam independentemente, ao invés de cooperativamente, porque eles não estão em um estado condensado. Mas uma vez condensado, as partículas podem se recombinar coletivamente e produzir fótons com muito mais eficácia.

"Você pode criar muito mais brilhante, fontes de luz com maior eficiência energética do que os LEDs convencionais, "Mak disse.

A equipe adotou uma abordagem decididamente de "baixa tecnologia" para montar suas camadas de condensação:eles usaram fita adesiva transparente para descascar monocamadas de átomos de cristais e empilhá-los novamente com os elétrons e buracos - separados por cerca de 1 nanômetro e alinhados para maximizar sua atração - formando bósons amorosos sociais.

"Uma propriedade notável do condensado é que os bósons podem fluir sem resistência, "Mak disse." O que isso significa é que cada camada por si só é um supercondutor. Portanto, outro caminho para criar um supercondutor de alta temperatura é basicamente fazer esse tipo de estrutura e medir separadamente a resistência na camada individual para ver se ela tem resistência zero. E estamos trabalhando neste tipo de experimento. "