La nuova ricerca condotta da Cornell sta indicando la strada verso un obiettivo sfuggente dei fisici - la superfluidità ad alta temperatura - esplorando gli eccitoni in semiconduttori atomicamente sottili.

un eccitone, che consiste in una coppia elettrone-lacuna legata, è un fascio mobile di energia che può esistere in isolanti e semiconduttori. Usando gli eccitoni con una grande energia di legame, i ricercatori sono riusciti ad aumentare di cento volte la temperatura di condensazione, da circa 1 kelvin (-457,87 F) a circa 100 kelvin (-279,67 F). La temperatura ambiente è di circa 295 kelvin.

Mentre resta da dimostrare la superfluidità ad alta temperatura, questo robusto condensato di Bose-Einstein potrebbe risultare più luminoso, sistemi di illuminazione più efficienti che superano i LED convenzionali.

Il documento del gruppo di ricerca, "Prove di condensazione di eccitoni ad alta temperatura in doppi strati atomici 2-D, " è stato pubblicato il 2 ottobre in Natura .

"La realizzazione di un condensato di eccitoni a una temperatura molto più alta rispetto a studi precedenti offre un'entusiasmante opportunità per esplorare questa fase quantistica della materia in condizioni sperimentali significativamente meno rigorose, " ha detto il ricercatore post-dottorato Zefang Wang, dottorato di ricerca '18, l'autore principale del documento.

Le particelle quantistiche si dividono in due classi fondamentali, bosoni e fermioni, che si differenziano per il loro spin. I bosoni sono i socializzatori, felice di essere raggruppati insieme; i fermioni sono come i passeggeri di un autobus che non vogliono sedersi uno vicino all'altro. Un tipo di bosone è l'eccitone, che è composto da due fermioni:un elettrone accoppiato con una lacuna elettronica, che è l'assenza di un elettrone nel sistema, che riescono a superare le loro tendenze antisociali e si aggrappano felicemente ad altre particelle.

Anche gli eccitoni nei doppi strati atomici 2-D hanno una massa leggera e dimensioni minuscole, in modo che possano essere impacchettati densamente insieme, molto più degli atomi e degli eccitoni nei materiali convenzionali, e si comportano collettivamente, che potrebbe consentire il flusso senza viscosità o resistenza. Queste sono le condizioni ideali per ottenere condensa e superfluidità a temperature più elevate.

"Gli stati quantistici della materia di solito sono piuttosto fragili. Ecco perché devi raffreddarli fino a renderli molto, temperatura molto bassa in un laboratorio, per proteggerli e isolarli dall'ambiente, " disse Kin Fai Mak, professore associato di fisica presso il College of Arts and Sciences, co-autore senior del giornale insieme a Jie Shan, professore di fisica applicata e ingegneristica presso la Facoltà di Ingegneria.

"Ma, "Mak ha detto, "se riesci a creare uno stato quantico più robusto della materia che vive felicemente ad alta temperatura, o anche a condizioni ambientali, poi ci sono molte cose che puoi fare con esso."

Una di queste potenziali applicazioni è l'optoelettronica. Nei LED convenzionali, gli eccitoni si comportano in modo indipendente, piuttosto che in modo cooperativo, perché non sono in uno stato condensato. Ma una volta condensato, le particelle possono ricombinarsi collettivamente e produrre fotoni in modo molto più efficace.

"Puoi effettivamente creare molto più luminoso, sorgenti luminose più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai LED convenzionali, " ha detto Mak.

Il team ha adottato un approccio decisamente "low-tech" per assemblare i loro strati di condensazione:hanno usato del nastro adesivo trasparente per staccare i monostrati di atomi dai cristalli e rimontarli con gli elettroni e le lacune, separati di circa 1 nanometro e allineati per massimizzare la loro attrazione. formazione di bosoni socievoli.

"Una proprietà eccezionale della condensa è che i bosoni possono fluire senza resistenza, " Ha detto Mak. "Ciò significa che ogni strato di per sé è un superconduttore. Quindi un altro percorso per creare un superconduttore ad alta temperatura è fondamentalmente realizzare questo tipo di struttura e misurare separatamente la resistenza sul singolo strato per vedere se ha resistenza zero. E stiamo lavorando a questo tipo di esperimento".