电子和空穴(一种称为激子的复合粒子)的结合对在交替层的“堆栈”内以3D量子“超流体”状态移动。电子和空穴沿单独的二维层移动。来源:Olivia Kong
一堆二维材料能在极暖的温度下产生超电流吗?这在家庭厨房里很容易实现吗?
今年8月发表的一项国际研究开辟了一条通往高温超电流的新途径，其温度与厨房冰箱内的温度一样“温暖”。
最终的目标是实现超导(即在合理的温度下，没有任何能量损失到电阻的电流)。
朝向室温超导
以前，超导只能在不太现实的低温下才有可能实现，低于零下170摄氏度——即使是南极也太温暖了!
因此，超导体的冷却成本一直很高，需要昂贵且能源密集型的冷却系统。
在日常温度下的超导性是该领域研究人员的最终目标。
这种新型半导体超晶格器件可以形成一种全新的超低能量电子产品的基础，与传统的硅基(CMOS)电子产品相比，每次计算的能耗要低得多。
这种基于新型传导的电子器件是FLEET卓越中心的目标，在这种新型传导中，固态晶体管在室温下无电阻地在0和1之间切换(即二进制开关)。
高效能电子学中的激子超电流
由于半导体中带相反电荷的电子和空穴在电上相互强烈吸引，它们可以形成紧密结合的电子对。这些复合粒子被称为激子，它们开辟了在室温下无电阻传导的新途径。
激子原则上可以形成一种量子的“超流体”状态，在这种状态下它们可以毫无阻力地一起移动。有了这样紧密结合的激子，超流体应该在高温下存在——甚至高达室温。
但不幸的是，由于电子和空穴距离非常近，实际上激子的寿命非常短——只有几纳秒，没有足够的时间形成超流体。
作为一种变通方法，电子和空穴可以完全分开，分开atomically-thin导电层，产生所谓的“空间间接”激子。电子和空穴沿分开但非常接近的导电层移动。这使得激子的寿命很长，而且最近确实在这样的系统中观察到了超流现象。
激子超流体中的逆流，即带相反电荷的电子和空穴在各自的层中一起移动，允许所谓的“超电流”(无耗散电流)以零电阻和零能量浪费的方式流动。因此，这显然是未来超低能耗电子的一个令人兴奋的前景。
堆叠层克服了2D的限制
然而，该研究的合著者Sara Conti指出了另一个问题:原子薄的导电层是二维的，在二维系统中，有David Thouless和Michael Kosterlitz(2016年诺贝尔奖获得者)发现的刚性拓扑量子限制，这消除了超流在非常低的温度下，大约-170°C以上。
与新提出的过渡金属二卤代化物(TMD)半导体材料层叠原子薄层体系的关键区别在于它是三维．
通过使用这种薄层的3D“超晶格”，克服了2D的拓扑限制。交替层掺杂了多余的电子(n掺杂)和多余的空穴(p掺杂)，这些形成了3D激子。
该研究预测，激子超电流将在温度高达-3°C的温度下在该系统中流动。
David Neilson在激子超流和2D系统方面工作了多年，他说:“提出的3D超晶格突破了2D系统的拓扑限制，允许在-3°C的超电流。因为电子和空穴是如此强烈的耦合，进一步的设计改进应该可以使其达到室温。”
尼尔森教授解释说:“令人惊讶的是，如今，将这些原子薄的层堆叠起来，以原子的方式将它们排列起来，并利用弱范德华原子引力将它们固定在一起，已成为常规做法。”“虽然我们的新研究只是一个理论建议，但它经过了精心设计，在现有技术下是可行的。”
这项研究
该研究观察了由两种不同单层材料(n掺杂和p掺杂TMDC过渡金属二卤属化合物WS)交替层组成的堆叠中的超流性2和WSe2）.
这篇论文超晶格中接近室温的三维电子空穴超流体作为快速通讯出版于物理评论B2020年8月。(DOI 10.1103 / PhysRevB.102.060503)。
该研究由FLEET PI教授大卫·尼尔森领导，他与英国皇家科学院的合作者合作安特卫普大学(比利时)卡梅里诺大学(意大利)和悉尼新南威尔士大学(澳大利亚)。
这项工作得到了佛兰德斯研究基金会,欧洲研究区未来和新兴技术旗舰项目，以及澳大利亚研究理事会(卓越中心项目)。
舰队人员
舰队派大卫·尼尔森教授(卡梅里诺大学/安特卫普大学)与Alex Hamilton和Andrea Perali共同提出了原子薄材料中第一个实用的激子超流体系统。这是FLEET研究主题2的关键，最近已经被观察到。他与FLEET研究人员合作，为原子薄材料中的无耗散电子输运确定其他有前途的候选材料，并优化它们的性能。
舰队CI Alex Hamilton教授(新南威尔士大学)是FLEET的副主任和研究主题1的领导者，在那里他指导人工工程拓扑材料的项目。雷竞技苹果版此外，他还致力于研究主题2实现无耗散激子晶体管。
FLEET PI Andrea Perali教授(卡梅里诺大学)致力于超导和超流理论，特别关注BCS-BEC交叉，多波段超导体和超流体中的伪间隙和波动现象，以及超冷费米子原子。
在FLEET，量子超流体状态是追求内部中心的研究主题2开发在接近室温的温度下电流可以以接近零电阻流动的系统，以寻找超低能量电子产品。
动画/图形
电子和空穴(一种称为激子的复合粒子)的结合对在交替层的“堆栈”内以3D量子“超流体”状态移动。电子和空穴沿单独的二维层移动。来源:Olivia Kong
