Risultati sperimentali mistificanti ottenuti indipendentemente da due gruppi di ricerca negli Stati Uniti sembravano mostrare lacune ed elettroni accoppiati che si muovevano nella direzione opposta alla teoria.

Ora, un nuovo studio teorico ha spiegato il risultato precedentemente misterioso, mostrando che questo fenomeno apparentemente contraddittorio è associato al bandgap nelle strutture di grafene a doppio strato, un bandgap che è molto più piccolo rispetto ai semiconduttori convenzionali.

Gli autori dello studio, che includeva il collaboratore della FLEET David Neilson presso l'Università di Camerino e il CI della FLEET Alex Hamilton presso l'Università del New South Wales, ha scoperto che la nuova teoria multibanda spiegava completamente i risultati sperimentali precedentemente inspiegabili.

Trasporto di eccitoni

Il trasporto degli eccitoni offre grandi promesse ai ricercatori, compreso il potenziale per l'elettronica futura a dissipazione ultra bassa.

Un eccitone è una particella composita:un elettrone e un 'buco' (una 'quasiparticella' carica positivamente causata dall'assenza di un elettrone) legati insieme dalle loro cariche elettriche opposte.

In un eccitone indiretto, gli elettroni liberi in un foglio 2-D possono essere legati elettrostaticamente a fori che sono liberi di viaggiare nel foglio 2-D vicino.

Poiché gli elettroni e le lacune sono confinati ciascuno nei propri fogli 2-D, non possono ricombinarsi, ma possono legarsi elettricamente tra loro se i due fogli 2-D sono molto vicini (pochi nanometri).

Se gli elettroni nel foglio superiore ("drive") vengono accelerati da una tensione applicata, quindi ogni foro partner nel foglio inferiore ("trascinamento") può essere "trascinato" dal suo elettrone.

Questo "trascinamento" sul foro può essere misurato come una tensione indotta attraverso il foglio di trascinamento, ed è indicato come trascinamento di Coulomb.

Un obiettivo in un tale meccanismo è che l'eccitone rimanga legato, e viaggiare come un superfluido, uno stato quantico con viscosità zero, e quindi senza spreco di energia.

Per raggiungere questo stato superfluido, i materiali bidimensionali progettati con precisione devono essere mantenuti a pochi nanometri di distanza, tale che l'elettrone e la lacuna legati sono molto più vicini l'uno all'altro di quanto non lo siano ai loro vicini nello stesso foglio.

Nel dispositivo studiato, un foglio di nitruro di boro esagonale (hBN) separa due fogli di grafene a doppio strato atomicamente sottile (2-D), con l'hBN isolante che impedisce la ricombinazione di elettroni e lacune.

Il passaggio di una corrente attraverso un foglio e la misurazione del segnale di trascinamento nell'altro consente agli sperimentatori di misurare le interazioni tra gli elettroni in un foglio e le lacune nell'altro, e infine rilevare una chiara firma della formazione di superfluidi.

Solo recentemente, nuovo, Sono state sviluppate eterostrutture 2-D con barriere isolanti sufficientemente sottili che ci permettono di osservare caratteristiche portate da forti interazioni elettrone-lacuna.

Spiegare l'inspiegabile:trascinamento negativo

Però, gli esperimenti pubblicati nel 2016 hanno mostrato risultati estremamente sconcertanti. In determinate condizioni sperimentali, la resistenza di Coulomb è risultata negativa, ovvero spostare un elettrone in una direzione ha causato il movimento del foro nell'altro foglio nella direzione opposta!

Questi risultati non possono essere spiegati dalle teorie esistenti.

In questo nuovo studio, questi risultati sconcertanti sono spiegati utilizzando processi multibanda cruciali che non erano stati precedentemente considerati nei modelli teorici.

Precedenti studi sperimentali sulla resistenza di Coulomb erano stati eseguiti in sistemi a semiconduttore convenzionali, che hanno bandgap molto più grandi.

Tuttavia il grafene a doppio strato ha una banda proibita molto piccola, e può essere modificato dai campi elettrici perpendicolari dalle porte metalliche posizionate sopra e sotto il campione.

Il calcolo del trasporto in entrambe le bande di conduzione e di valenza in ciascuno dei doppi strati di grafene è stato l'"anello mancante" che unisce la teoria ai risultati sperimentali. La strana resistenza negativa si verifica quando l'energia termica si avvicina all'energia bandgap.

I forti effetti multibanda influenzano anche la formazione di superfluidi di eccitoni nel grafene a doppio strato, quindi questo lavoro apre nuove possibilità di esplorazione nei superfluidi di eccitoni.

Lo studio, "Meccanismo multibanda per l'inversione del segno del trascinamento di Coulomb osservato nelle eterostrutture di grafene a doppio strato, " di M. Zarenia, A.R. Hamilton, F.M. Peeters e D. Neilson è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica nel luglio 2018.

Superfluidi e FLOTTA

I superfluidi di eccitoni sono studiati nell'ambito del tema di ricerca 2 di FLEET per il loro potenziale di trasportare corrente elettronica a dissipazione zero, e quindi consentire la progettazione di transistor eccitoni a energia ultrabassa.

L'uso di due fogli atomicamente sottili (2-D) per trasportare gli eccitoni consentirà il flusso superfluido a temperatura ambiente, che è fondamentale se la nuova tecnologia deve diventare una valida tecnologia "oltre il CMOS". Un transistor a doppio strato di eccitazione sarebbe un interruttore senza dissipazione per l'elaborazione delle informazioni.

In un superfluido, la dispersione è proibita dalle statistiche quantistiche, il che significa che elettroni e lacune possono fluire senza resistenza.

In questo singolo, stato quantistico puro, tutte le particelle fluiscono con la stessa quantità di moto, in modo che nessuna energia possa essere persa per dissipazione.

FLEET (Australian Research Council Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) riunisce oltre un centinaio di esperti australiani e internazionali, con la missione condivisa di sviluppare una nuova generazione di elettronica a bassissimo consumo energetico.

L'impulso alla base di tale lavoro è la crescente sfida dell'energia utilizzata nel calcolo, che utilizza il 5-8% dell'elettricità globale e raddoppia ogni decennio.

Una sfida chiave di tali dispositivi ultraminiaturizzati è il surriscaldamento:le loro superfici ultrapiccole limitano seriamente le vie di fuga del calore dalle correnti elettriche.