Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 26 °C
Gök Gürültülü

2D malzeme yığını, mutfak sıcaklığında süper akımlara izin verebilir mi

16.12.2020
166
2D malzeme yığını, mutfak sıcaklığında süper akımlara izin verebilir mi

2D malzeme yığını, ev mutfağında kolayca elde edilebilen, çığır açan sıcaklıklarda süper akımlara izin verebilir mi? Ultra düşük enerjili elektronik ‘doğrudan buzdolabından çıkar’ mı?

Ağustos ayında yayınlanan uluslararası bir çalışma, bir mutfak buzdolabının içi kadar ‘sıcak’ sıcaklıklarda yüksek sıcaklık süper akımlarına yeni bir yol açıyor.

Nihai amaç, makul bir sıcaklıkta süperiletkenliğe (yani, dirence karşı herhangi bir enerji kaybı olmaksızın elektrik akımı) ulaşmaktır.

Oda sıcaklığında süper iletkenliğe doğru

Daha önce süperiletkenlik, sadece pratik olmayan düşük sıcaklıklarda, sıfırın altında – 170 ° C’nin altında mümkündü – Antarktika bile çok sıcak olurdu!

Bu nedenle, süperiletkenlerin soğutma maliyetleri yüksektir, pahalı ve enerji yoğun soğutma sistemleri gerektirir.

Günlük sıcaklıklarda süperiletkenlik, alandaki araştırmacıların nihai hedefidir.

Bağlı elektron ve delik çiftleri (eksiton adı verilen bir bileşik parçacık), değişen katmanlardan oluşan bir “yığın” içinde 3B kuantum, “süperakışkan” durumda hareket eder.
Elektronlar ve delikler ayrı 2B katmanlar boyunca hareket eder.
Kredi bilgileri: Olivia Kong

Bu yeni yarı iletken süper örgü cihazı, geleneksel, silikon tabanlı (CMOS) elektroniklerden çok daha düşük hesaplama başına enerji tüketimi ile radikal bir şekilde yeni bir ultra düşük enerji elektronik sınıfının temelini oluşturabilir.

Katı hal transistörlerinin oda sıcaklığında direnç olmaksızın sıfır ile bir (yani ikili anahtarlama) arasında geçiş yaptığı yeni iletim türlerine dayanan bu tür elektronikler, FLEET Mükemmeliyet Merkezi’nin amacıdır.

Enerji tasarruflu elektronikte Exciton süper akımları

Yarı iletkenlerdeki zıt yüklü elektronlar ve delikler elektriksel olarak birbirlerine güçlü bir şekilde çekildikleri için, sıkıca bağlı çiftler oluşturabilirler. Bu kompozit parçacıklara eksiton adı verilir ve oda sıcaklığında direnç olmaksızın iletime doğru yeni yollar açar.

Eksitonlar, üst üste yığılmış 2D yarı iletkenlerden oluşan bir 3B üst yüzeyde katmanlar arasında oluşur. Kredi bilgileri: Olivia Kong

Eksitonlar, prensipte, direnç olmaksızın birlikte hareket ettikleri kuantum, ‘süper akışkan’ hal oluşturabilirler. Bu kadar sıkı bağlanmış eksitonlarla süper akışkanlık, oda sıcaklığı kadar yüksek sıcaklıklarda bile bulunmalıdır.

Fakat ne yazık ki, elektron ve delik birbirine çok yakın olduğu için, pratikte eksitonların çok kısa ömürleri vardır – sadece birkaç nanosaniye, süperakışkan oluşturmak için yeterli zaman değil.

Geçici bir çözüm olarak, elektron ve delik iki ayrı atomik olarak ince iletken katmanda tamamen ayrı tutulabilir ve bu da ‘uzamsal olarak dolaylı’ eksitonlar yaratır.

Elektronlar ve delikler ayrı fakat çok yakın iletken katmanlar boyunca hareket eder. Bu, eksitonların uzun ömürlü olmasını sağlar ve gerçekten de bu tür sistemlerde son zamanlarda süper akışkanlık gözlemlenmiştir.

Karşıt yüklü elektronların ve deliklerin ayrı katmanlarında birlikte hareket ettiği eksiton süper akışkanındaki karşı akış, “süper akımların” (dağılmayan elektrik akımları) sıfır direnç ve sıfır enerji ile akmasına izin verir.

Bu nedenle, gelecekteki ultra düşük enerjili elektronikler için kesinlikle heyecan verici bir beklentidir.

Yığılmış katmanlar 2D sınırlamaların üstesinden gelir

Çalışmanın yazarlarından Sara Conti, başka bir soruna dikkat çekiyor: atomik olarak ince iletken katmanlar iki boyutludur ve 2D sistemlerde David Thouless ve Michael Kosterlitz (2016 Nobel ödülü) tarafından keşfedilen katı topolojik kuantum kısıtlamaları vardır. yaklaşık – 170 ° C’nin üzerindeki çok düşük sıcaklıklarda süperakışkanlığı ortadan kaldırır.

Atomik olarak ince istiflenmiş geçiş metali dikalkojenid (TMD) yarı iletken malzemelerden oluşan yeni önerilen sistemle temel fark, 3 boyutlu olmasıdır.

2D’nin topolojik sınırlamalarının üstesinden, ince katmanların bu 3D “süper örgüsü” kullanılarak gelinir. Alternatif katmanlar fazla elektronlarla (n katkılı) ve fazla deliklerle (p-katkılı) takviye edilir ve bunlar 3D eksitonları oluşturur.

Çalışma, eksiton süper akımlarının bu sistemde – 3 ° C kadar yüksek sıcaklıklarda akacağını öngörüyor.

Uzun yıllardır eksiton süperakışkanlığı ve 2D sistemler üzerinde çalışan David Neilson, “Önerilen 3D süper örgü, 2D sistemlerin topolojik sınırlamalarından çıkarak – 3 ° C’de süper akımlara izin veriyor. Elektronlar ve delikler çok güçlü bir şekilde birbirine bağlı olduğundan, daha fazla tasarım iyileştirmesi bunu oda sıcaklığına kadar taşımalıdır.”

Prof Neilson, “Şaşırtıcı bir şekilde, bugün atomik olarak ince katmanların yığınlarını üretmek, onları atomik olarak sıraya dizmek ve onları zayıf van der Waals atomik çekiciliğiyle bir arada tutmak rutin hale geliyor” diyor. “Ve yeni çalışmamız teorik bir öneri olsa da, mevcut teknoloji ile mümkün olacak şekilde dikkatle tasarlandı.”

Çalışma

Çalışma, iki farklı tek katmanlı malzemenin (n- ve p-katkılı TMDC geçiş metali dikalkojenidleri WS 2 ve WSe 2 ) değişen katmanlarından oluşan bir yığındaki süperakışkanlığa baktı .

Referans: M. Van der Donck, S. Conti, A. Perali, AR Hamilton, B. Partoens, FM Peeters ve D. Neilson, “Oda sıcaklığına yakın bir üst kısımda üç boyutlu elektron deliği süperakışkanlığı”, 25 Ağustos 2020 , Physical Review B.

Çalışma, Antwerp Üniversitesi (Belçika), Camerino Üniversitesi (İtalya) ve UNSW Sidney’deki (Avustralya) ortak çalışanlarla birlikte çalışan FLEET PI Prof.David Neilson tarafından yönetildi.

Çalışma, Flanders Araştırma Vakfı, Avrupa Araştırma Alanının Geleceği ve Gelişen Teknolojiler Bayrak Gemileri programı ve Avustralya Araştırma Konseyi (Mükemmeliyet Merkezi programı) tarafından desteklenmiştir.

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.