Pode uma pilha de materiais 2-D permitir supercorrentes em temperaturas quentes inovadoras, facilmente alcançável na cozinha doméstica?

Um estudo internacional publicado em agosto abre uma nova rota para as supercorrentes de alta temperatura em temperaturas tão "quentes" como dentro de uma geladeira de cozinha.

O objetivo final é alcançar a supercondutividade (ou seja, corrente elétrica sem qualquer perda de energia para a resistência) a uma temperatura razoável.

Em direção à supercondutividade à temperatura ambiente

Anteriormente, a supercondutividade só foi possível em temperaturas impraticáveis, menos de -170 ° C abaixo de zero - até mesmo a Antártica estaria quente demais!

Por esta razão, os custos de resfriamento de supercondutores têm sido altos, exigindo sistemas de resfriamento caros e que consomem muita energia.

A supercondutividade em temperaturas diárias é o objetivo final dos pesquisadores da área.

Este novo dispositivo de superrede semicondutor poderia formar a base de uma classe radicalmente nova de eletrônicos de energia ultrabaixa com consumo de energia por computação muito menor do que o convencional, eletrônica baseada em silício (CMOS).

Esses eletrônicos, com base em novos tipos de condução em que transistores de estado sólido alternam entre zero e um (ou seja, comutação binária) sem resistência à temperatura ambiente, é o objetivo do Centro de Excelência FLEET.

Supercorrentes de exciton em eletrônica eficiente em energia

Como elétrons de carga oposta e lacunas em semicondutores são fortemente atraídos uns pelos outros eletricamente, eles podem formar pares fortemente unidos. Essas partículas compostas são chamadas de excitons, e eles abrem novos caminhos para a condução sem resistência à temperatura ambiente.

Excitons podem, em princípio, formar um quantum, estado "superfluido", em que eles se movem juntos sem resistência. Com excitons tão fortemente ligados, a superfluidez deve existir em altas temperaturas - mesmo altas como a temperatura ambiente.

Mas infelizmente, porque o elétron e o buraco estão tão próximos, na prática, os excitons têm uma vida útil extremamente curta - apenas alguns nanossegundos, não há tempo suficiente para formar um superfluido.

Como alternativa, o elétron e o buraco podem ser mantidos completamente separados em dois, camadas condutoras atomicamente finas separadas, criando os chamados excitons "espacialmente indiretos". Os elétrons e os buracos se movem ao longo de camadas condutoras separadas, mas muito próximas. Isso faz com que os excitons tenham vida longa, e, de fato, a superfluidez foi recentemente observada em tais sistemas.

Contrafluxo no superfluido exciton, em que os elétrons com carga oposta e buracos se movem juntos em suas camadas separadas, permite que as chamadas "supercorrentes" (correntes elétricas sem dissipação) fluam com resistência zero e energia desperdiçada zero. Como tal, é claramente uma perspectiva empolgante para o futuro, eletrônicos de ultra-baixa energia.

Camadas empilhadas superam as limitações 2-D

Sara Conti, que é co-autora do estudo, observa outro problema, no entanto:camadas condutoras atomicamente finas são bidimensionais, e em sistemas 2-D, existem restrições quânticas topológicas rígidas descobertas por David Thouless e Michael Kosterlitz (prêmio Nobel de 2016), que eliminam a superfluidez em temperaturas muito baixas, acima de cerca de -170 ° C.

A principal diferença com o novo sistema proposto de camadas atomicamente finas empilhadas de materiais semicondutores de dichalcogeneto de metal de transição (TMD), é que é tridimensional.

As limitações topológicas do 2-D são superadas usando esta superrede 3-D de camadas finas. Camadas alternativas são dopadas com elétrons em excesso (dopado com n) e buracos em excesso (dopado com p) e estes formam os excitons 3-D.

O estudo prevê que as supercorrentes de excitons fluirão neste sistema em temperaturas tão altas quanto –3 ° C.

David Neilson, que trabalhou por muitos anos em superfluidez de excitons e sistemas 2-D, diz "A superrede 3-D proposta rompe as limitações topológicas dos sistemas 2-D, permitindo supercorrentes a –3 ° C. Como os elétrons e buracos são fortemente acoplados, outras melhorias de design devem levar isso até a temperatura ambiente. "

"Surpreendentemente, está se tornando rotina hoje produzir pilhas dessas camadas atomicamente finas, alinhando-os atomicamente, e mantendo-os juntos com a fraca atração atômica de van der Waals, "explica o Prof Neilson." E embora nosso novo estudo seja uma proposta teórica, é cuidadosamente projetado para ser viável com a tecnologia atual. "

O estudo

O estudo analisou a superfluidez em uma pilha feita de camadas alternadas de dois materiais de monocamada diferentes (dichalcogenetos de metal de transição TMDC dopados com n e p WS2 e WSe2).

O papel, "Superfluidez tridimensional do buraco do elétron em uma superrede próxima à temperatura ambiente, "foi publicado como uma Comunicação Rápida em Revisão Física B em agosto de 2020.