Sistema ibrido formato combinando il condensato di Bose-Einstein (BEC) e il gas di elettroni 2D (2DEG) in nuovi materiali 2D, come MoS2. Gli elettroni (sfere nere) si muovono nel gas di elettroni 2D (2DEG, strato superiore), e interagiscono con altre particelle presenti negli strati inferiori, dove elettroni e lacune fotoeccitati (sfere grigie, h.) formano coppie elettrone-lacuna legate. Le linee ondulate rosse rappresentano le forze di Coulomb che agiscono tra particelle con cariche opposte. Credito:IBS
Comprendere come si comportano le particelle nella zona crepuscolare tra la macro e il mondo quantistico ci dà accesso a fenomeni affascinanti, interessanti sia dal punto di vista della fisica fondamentale che da quello orientato all'applicazione. Per esempio, i materiali ultrasottili simili al grafene sono un fantastico parco giochi per esaminare il trasporto e le interazioni degli elettroni. Recentemente, ricercatori del Centro di Fisica Teorica dei Sistemi Complessi (PCS), all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud), in collaborazione con l'Istituto Rzhanov di fisica dei semiconduttori (Russia) hanno riferito di un nuovo fenomeno di diffusione degli elettroni nei materiali 2-D. Il documento è pubblicato in Lettere di revisione fisica .
Il team ha considerato un campione costituito da due sottosistemi:uno costituito da particelle con spin intero (bosoni) e l'altro costituito da particelle con spin semiintero (fermioni).
Per la componente bosonica, hanno modellato un gas di eccitoni (coppie elettrone-positrone). A basse temperature, la meccanica quantistica può forzare un gran numero di particelle bosoniche a formare un condensato di Bose-Einstein (BEC). Questo stato della materia è stato riportato in diversi materiali, in particolare, arseniuro di gallio (GaAs), ed è stato previsto nel bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ).
Il sottosistema fermionico è un gas di elettroni 2-D (2DEG), dove gli elettroni sono limitati a muoversi in due dimensioni. Presenta intriganti fenomeni magnetici ed elettrici, inclusa la superconduttività, questo è, il passaggio di corrente senza resistività. Questi fenomeni sono legati alla diffusione degli elettroni, che è dovuto principalmente alle impurità e ai fononi. Queste ultime sono vibrazioni del reticolo cristallino. Il loro nome deriva dal greco 'phonos, ' che significa suono, poiché i fononi a lunga lunghezza d'onda danno origine al suono, ma svolgono anche un ruolo nella conduttività elettrica dei metalli dipendente dalla temperatura.
Resistività in funzione della temperatura per MoS2 (rosso) e GaAs (verde) in sistemi ibridi BEC-2DEG. Le curve piene colorate e tratteggiate rappresentano i contributi non convenzionali con uno e due bogolon, rispettivamente. trattino nero, punteggiato, e le curve tratteggiate mostrano l'impurità e i contributi dei fononi. Credito:IBS
Bosoni e fermioni sono molto diversi a livello quantistico, quindi cosa succede quando combiniamo BEC e 2DEG? Kristian Villegas, Meng Sole, Vadim Kovalev, e Ivan Savenko hanno modellato il trasporto di elettroni in tali sistemi ibridi.
Al di là dei fononi convenzionali e delle impurità, il team ha descritto un meccanismo di dispersione degli elettroni non convenzionale nei sistemi ibridi BEC-2DEG:le interazioni di un elettrone con uno o due quanti di Bogoliubov (o bogoloni) - eccitazioni del BEC con piccoli momenti. Sebbene fononi e bogoloni condividano alcune caratteristiche comuni, il team ha scoperto di avere differenze importanti.
Secondo i modelli, in MoS . di alta qualità 2 ad un certo intervallo di temperature, la resistività causata da coppie di bogoloni si è rivelata dominante sulla resistività causata da singoli bogoloni, fononi acustici, bogolon singoli, e impurità. La ragione di tale differenza è il meccanismo di interazione tra elettroni e bogoloni, che è di natura elettrica, in contrasto con l'interazione elettrone-fonone descritta dalle deformazioni del campione.
Questa ricerca potrebbe essere utile per la progettazione di nuovi superconduttori ad alta temperatura. Un apparente paradosso collega conduttività e superconduttività:i cattivi conduttori sono generalmente buoni superconduttori. Nel caso di interazioni elettrone-fonone, alcuni materiali che mostrano scarsa conduttività, a causa della forte dispersione di elettroni da parte dei fononi, possono diventare buoni superconduttori a temperature molto basse. Per la stessa ragione, metalli nobili, come l'oro, sono buoni conduttori, ma cattivi superconduttori. Se questo vale anche per le interazioni elettrone-bogolone, poi i ricercatori ipotizzano che progettando un cattivo conduttore, con elevata resistività causata da interazioni elettrone-2 bogoloni, potrebbe portare a superconduttori "buoni".
"Questo lavoro non solo apre prospettive nella progettazione di strutture ibride con dissipazione controllabile, riferisce su una dipendenza dalla temperatura fondamentalmente diversa dello scattering a basse e alte temperature e fa luce sulla superconduttività mediata dalla condensa controllata otticamente, " spiega Ivan Savenko, il leader del team Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) presso PCS.
