Potrebbe una pila di materiali 2-D consentire supercorrenti a temperature calde rivoluzionarie, facilmente realizzabile nella cucina di casa?

Uno studio internazionale pubblicato ad agosto apre una nuova strada verso le supercorrenti ad alta temperatura a temperature "calde" come all'interno di un frigorifero da cucina.

L'obiettivo finale è raggiungere la superconduttività (cioè, corrente elettrica senza alcuna perdita di energia per resistenza) a una temperatura ragionevole.

Verso la superconduttività a temperatura ambiente

In precedenza, la superconduttività è stata possibile solo a temperature impraticabili, meno di -170°C sotto zero:anche l'Antartico sarebbe troppo caldo!

Per questa ragione, i costi di raffreddamento dei superconduttori sono stati elevati, richiedono sistemi di raffreddamento costosi e ad alta intensità energetica.

La superconduttività alle temperature quotidiane è l'obiettivo finale dei ricercatori nel campo.

Questo nuovo dispositivo a superreticolo a semiconduttore potrebbe costituire la base di una classe radicalmente nuova di elettronica a bassissima energia con un consumo di energia per calcolo notevolmente inferiore rispetto a quello convenzionale, elettronica a base di silicio (CMOS).

Tale elettronica, basato su nuovi tipi di conduzione in cui i transistor allo stato solido commutano tra zero e uno (cioè, commutazione binaria) senza resistenza a temperatura ambiente, è l'obiettivo del Centro di Eccellenza FLEET.

Supercorrenti di eccitoni nell'elettronica ad alta efficienza energetica

Poiché gli elettroni di carica opposta e le lacune nei semiconduttori sono fortemente attratti l'uno dall'altro elettricamente, possono formare coppie strettamente legate. Queste particelle composite sono chiamate eccitoni, e aprono nuove vie verso la conduzione senza resistenza a temperatura ambiente.

Gli eccitoni possono in linea di principio formare un quanto, stato "superfluido", in cui si muovono insieme senza resistenza. Con eccitoni così strettamente legati, la superfluidità dovrebbe esistere a temperature elevate, anche alte come la temperatura ambiente.

Ma sfortunatamente, perché l'elettrone e la lacuna sono così vicini tra loro, in pratica gli eccitoni hanno tempi di vita estremamente brevi, solo pochi nanosecondi, non abbastanza tempo per formare un superfluido.

Come soluzione alternativa, l'elettrone e la lacuna possono essere tenuti completamente separati in due, strati conduttori separati atomicamente sottili, creando i cosiddetti eccitoni "spazialmente indiretti". Gli elettroni e le lacune si muovono lungo strati conduttori separati ma molto vicini. Questo rende gli eccitoni longevi, e in effetti di recente è stata osservata superfluidità in tali sistemi.

Controcorrente nel superfluido degli eccitoni, in cui gli elettroni e le lacune di carica opposta si muovono insieme nei loro strati separati, permette alle cosiddette "supercorrenti" (correnti elettriche senza dissipazione) di fluire con zero resistenza e zero spreco di energia. Come tale, è chiaramente una prospettiva entusiasmante per il futuro, elettronica a bassissima energia.

I livelli sovrapposti superano i limiti del 2D

Sara Conti, coautrice dello studio, rileva tuttavia un altro problema:gli strati conduttori atomicamente sottili sono bidimensionali, e nei sistemi 2-D ci sono rigide restrizioni quantistiche topologiche scoperte da David Thouless e Michael Kosterlitz (premio Nobel 2016), che eliminano la superfluidità a temperature molto basse, sopra circa –170°C.

La differenza chiave con il nuovo sistema proposto di strati atomicamente sottili impilati di materiali semiconduttori di dicalcogenuro di metalli di transizione (TMD), è che è tridimensionale.

I limiti topologici del 2-D vengono superati utilizzando questo superreticolo 3-D di strati sottili. Gli strati alternati sono drogati con elettroni in eccesso (drogato n) e lacune in eccesso (drogato p) e questi formano gli eccitoni 3-D.

Lo studio prevede che le supercorrenti di eccitoni fluiranno in questo sistema a temperature fino a -3°C.

David Neilson, che ha lavorato per molti anni sulla superfluidità degli eccitoni e sui sistemi 2-D, afferma "Il superreticolo 3D proposto supera i limiti topologici dei sistemi 2D, consentendo sovracorrenti a –3°C. Poiché gli elettroni e le lacune sono così fortemente accoppiati, ulteriori miglioramenti del design dovrebbero portare questo fino a temperatura ambiente."

"Incredibilmente, sta diventando routine oggi produrre pile di questi strati atomicamente sottili, allineandoli atomicamente, e tenendoli insieme con la debole attrazione atomica di van der Waals, " spiega il prof Neilson. "E mentre il nostro nuovo studio è una proposta teorica, è attentamente progettato per essere fattibile con la tecnologia attuale."

Lo studio

Lo studio ha esaminato la superfluidità in uno stack costituito da strati alternati di due diversi materiali monostrato (dicalcogenuri di metalli di transizione TMDC drogati con n e p WS2 e WSe2).

La carta, "Superfluidità tridimensionale della lacuna elettronica in un superreticolo vicino alla temperatura ambiente, " è stato pubblicato come Comunicazione rapida in Revisione fisica B nell'agosto 2020.