ผลอธิบายที่น่าสงสัย - แนวทางแบบ multiband สำหรับการลากและทางอ้อม excromons ของ Coulomb

Anonim

ผลการทดลองที่คลี่คลายได้โดยอิสระจากสองกลุ่มวิจัยในสหรัฐอเมริกาดูเหมือนจะแสดงรูและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับทฤษฎี

ตอนนี้การศึกษาทฤษฎีใหม่ได้อธิบายผลที่ลึกลับก่อนหน้านี้โดยการแสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์ขัดแย้งกันนี้มีความสัมพันธ์กับ bandgap ในโครงสร้าง graphene แบบสองชั้น bandgap ซึ่งมีขนาดเล็กกว่ามากในเซมิคอนดักเตอร์แบบเดิม

ผู้เขียนศึกษาซึ่งรวมถึงผู้สมรู้ร่วมคิด FLEET David Neilson จากมหาวิทยาลัย Camerino และ FLEET CI Alex Hamilton จากมหาวิทยาลัย New South Wales พบว่าทฤษฎี multiband ฉบับใหม่ได้อธิบายถึงผลการทดลองที่อธิบายไม่ได้ก่อนหน้านี้

การขนส่ง Exciton

การขนส่ง Exciton เสนอสัญญาที่ดีให้กับนักวิจัยรวมถึงศักยภาพในการลดการใช้ไฟฟ้าในอนาคตในระดับต่ำ

exciton เป็นอนุภาคคอมโพสิต: อิเล็กตรอนและ 'รู' (quasiparticle 'อนุภาคที่มีประจุบวก' ซึ่งเกิดจากการไม่มีอิเล็กตรอน) ถูกผูกไว้ด้วยค่าไฟฟ้าที่ตรงกันข้ามกัน

ในอิเล็กตรอนอิสระทางอ้อม exciton อิเล็กตรอนอิสระในหนึ่งแผ่น 2-D สามารถผูกไฟฟ้าสถิตกับหลุมที่มีอิสระที่จะเดินทางไปในแผ่นข้างเคียง 2-D

เนื่องจากอิเล็กตรอนและรูถูก จำกัด ไว้ในแผ่นฟิล์ม 2 มิติของตัวเองพวกเขาจึงไม่สามารถรวมตัวใหม่ได้ แต่สามารถเชื่อมโยงกันได้ด้วยไฟฟ้าถ้าแผ่นฟิล์ม 2 มิติใกล้เคียงกัน (ไม่กี่นาโนเมตร)

ถ้าอิเล็กตรอนในแผ่นด้านบน (ไดรฟ์) ถูกเร่งด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้แล้วช่องว่างในแต่ละแผ่นที่อยู่ด้านล่าง ('ลาก') จะถูกลากโดยอิเล็กตรอนของมัน

นี้ 'ลาก' บนหลุมสามารถวัดเป็นแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำผ่านแผ่นลากและเรียกว่าลาก Coulomb

เป้าหมายในกลไกดังกล่าวคือการที่ exciton ยังคงผูกพันและเดินทางเป็น superfluid เป็นสถานะควอนตัมที่มีความหนืดเป็นศูนย์และทำให้ไม่มีการสูญเสียการกระจายพลังงาน

เพื่อให้ได้สถานะ superfluid นี้ต้องใช้วัสดุ 2 มิติที่ออกแบบมาอย่างถูกต้องเพียงไม่กี่ nanomet ออกจากกันดังนั้นอิเล็กตรอนและรูที่ห่อหุ้มอยู่ใกล้กันมากกว่าที่อยู่กับเพื่อนบ้านในแผ่นเดียวกัน

ในอุปกรณ์ที่ทำการศึกษานั้นแผ่น hexagonal-boron-nitride (hBN) จะแยกแผ่น graphene คู่ bilayer สองแผ่นออกด้วยฉนวน hBN เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการรวมตัวของอิเล็กตรอนและรู

ผ่านปัจจุบันผ่านหนึ่งแผ่นและการวัดสัญญาณลากในแผ่นอื่น ๆ ช่วยให้นักทดลองเพื่อวัดการโต้ตอบระหว่างอิเล็กตรอนในแผ่นเดียวและหลุมอื่น ๆ และในที่สุดจะตรวจจับลายเซ็นที่ชัดเจนของการสร้าง Superfluid

เมื่อไม่นานมานี้มีการพัฒนาโครงสร้างใหม่ 2 มิติที่มีโครงสร้างป้องกันฉนวนกันความร้อนบางอย่างที่ทำให้เราสามารถสังเกตลักษณะการทำงานที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับรู

อธิบายการอธิบายไม่ได้: ลากเชิงลบ

อย่างไรก็ตามการทดลองที่ตีพิมพ์ในปี 2016 แสดงให้เห็นผลที่น่างงมาก ภายใต้เงื่อนไขการทดลองบางอย่างการลากประจุลบถือเป็นลบนั่นคือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปในทิศทางเดียวทำให้รูในแผ่นงานอื่นเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม!

ผลลัพธ์เหล่านี้ไม่สามารถอธิบายได้ตามทฤษฎีที่มีอยู่

ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ผลที่ทำให้งงได้รับการอธิบายโดยใช้กระบวนการหลายกลุ่มที่สำคัญซึ่งไม่เคยได้รับการพิจารณาในแบบจำลองทางทฤษฎีมาก่อน

การศึกษาทดลองก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการลากประจุไฟฟ้าได้ดำเนินการในระบบเซมิคอนดักเตอร์แบบเดิมซึ่งมี bandgaps ที่มีขนาดใหญ่มาก

อย่างไรก็ตาม bilayer graphene มี bandgap ขนาดเล็กมากและสามารถเปลี่ยนแปลงได้จากสนามไฟฟ้าตั้งฉากจากประตูโลหะที่อยู่ด้านบนและด้านล่างของตัวอย่าง

การคำนวณการขนส่งในแถบนำและ valence ในแต่ละ graphene bilayers คือ 'missing link' ที่เชื่อมต่อทฤษฎีกับผลการทดลอง ลากเชิงลบที่แปลกประหลาดเกิดขึ้นเมื่อพลังงานความร้อนเข้าใกล้พลังงาน bandgap

ผลกระทบหลายด้านที่รุนแรงยังมีผลต่อการก่อตัวของ superfluids exciton ใน graphene bilayer ดังนั้นงานนี้จึงเปิดโอกาสใหม่ในการสำรวจสาร superfluids exciton

การศึกษากลไก Multiband สำหรับการกลับรายการของคูลอมบ์คลากที่สังเกตได้ในการสร้างเม็ดเลือดสองชั้นแบบคู่ผสมโดย M. Zarenia, AR Hamilton, FM Peeters และ D. Neilson ได้รับการตีพิมพ์ใน Physical Review Letters ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2561

Superfluids และ FLEET

Superfluids Exciton ได้รับการศึกษาภายใต้ชุดรูปแบบการวิจัยของ FLEET 2 เนื่องจากมีศักยภาพในการพกพากระแสไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่มีการกระจายตัวและทำให้สามารถออกแบบทรานซิสเตอร์ exciton ที่มีพลังงานต่ำเป็นพิเศษได้

การใช้แผ่นอะตอมบางเฉียบ (2-D) เพื่อนำ excitons จะช่วยให้การไหลของของเหลว superfluid ในอุณหภูมิซึ่งเป็นกุญแจสำคัญถ้าเทคโนโลยีใหม่ ๆ จะกลายเป็นเทคโนโลยี 'ที่เหนือกว่า CMOS' ทรานซิสเตอร์ bilayer-exciton จะเป็นสวิตช์ที่ไม่มีการสลายตัวสำหรับการประมวลผลข้อมูล

ใน superfluid การกระเจิงเป็นสิ่งต้องห้ามโดยสถิติควอนตัมซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนและรูสามารถไหลได้โดยปราศจากความต้านทาน

ในรัฐควอนตัมแบบเดี่ยวนี้อนุภาคทั้งหมดจะไหลไปตามโมเมนตัมเดียวกันเพื่อไม่ให้พลังงานใด ๆ สูญหายไปจากการกระจายตัว

FLEET (ศูนย์วิจัยออสเตรเลียแห่งศูนย์เทคโนโลยีพลังงานต่ำในอนาคต) ได้รวบรวมผู้เชี่ยวชาญกว่าร้อยคนในประเทศออสเตรเลียและมีภารกิจร่วมกันในการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษ

แรงผลักดันที่อยู่เบื้องหลังการทำงานดังกล่าวเป็นความท้าทายที่เพิ่มขึ้นของพลังงานที่ใช้ในการคำนวณซึ่งใช้กระแสไฟฟ้าทั่วโลกประมาณ 5-8% และเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุก ๆ ทศวรรษ

ความท้าทายที่สำคัญของอุปกรณ์ขนาดเล็กพิเศษเหล่านี้ร้อนเกินไป - พื้นผิวที่มีขนาดเล็กเป็นพิเศษช่วยลดความร้อนจากกระแสไฟฟ้าได้อย่างจริงจัง

menu
menu