令人困惑的结果解释:一个多波段方法库仑阻力和间接激子

采用多波段方法解释了“电子-空穴反向阻力”和激子的形成

美国两个研究小组独立获得的实验结果似乎表明耦合空穴和电子朝着与理论相反的方向移动。

现在，一项新的理论研究解释了之前神秘的结果，表明这种明显矛盾的现象与双层石墨烯结构的带隙有关，带隙比传统半导体小得多。

该研究的作者，包括来自卡梅里诺大学的FLEET合作者David Neilson和新南威尔士大学的FLEET CI Alex Hamilton，发现新的多波段理论完全解释了之前无法解释的实验结果。

激子运输

激子输运为研究人员提供了巨大的希望，包括超低耗散未来电子产品的潜力。

图像示意图

在上面薄片上加速的电子(e)导致下面薄片上的空穴(h)加速

一个激子是一种复合粒子:一个电子和一个“空穴”(由缺少电子引起的带正电的“准粒子”)被它们相反的电荷束缚在一起。

在间接激子中，一个2D薄片中的自由电子可以被静电束缚在邻近2D薄片中自由移动的空穴上。

因为电子和空穴都被限制在各自的2D薄片中，它们不能重新结合，但如果两个2D薄片非常接近(几纳米)，它们可以电结合在一起。

如果顶部(“驱动”)薄片上的电子被施加的电压加速，那么下部(“拖动”)薄片上的每个配对空穴都可以被其电子“拖动”。

孔上的这种“阻力”可以测量为穿过阻力片的感应电压，称为库仑拖．

这种机制的目标是使激子保持束缚，并以A的形式运动超流体这是一种零粘度的量子态，因此不会浪费能量耗散。

图像示意图

器件原理图:一层导电双层石墨烯携带电子，另一层由绝缘hBN隔开，携带空穴

为了达到这种超流体状态，精确设计的二维材料必须保持只有几纳米的距离，这样被束缚的电子和空穴彼此之间的距离要比它们在同一薄片上的邻居更近。

在研究的装置中，一层六方氮化硼(hBN)将两片原子薄(2D)双层石墨烯分离，绝缘的hBN防止电子和空穴的重组。

让电流通过一张纸，测量另一张纸上的阻力信号，实验人员就可以测量一张纸上的电子和另一张纸上的空穴之间的相互作用，并最终探测到超流体形成的清晰特征。

直到最近，新的二维异质结构已经开发出足够薄的绝缘屏障，使我们能够观察到强电子-空穴相互作用带来的特征。

解释一下这个令人费解的现象:负阻力

然而，2016年发表的实验显示了极其令人费解的结果。在一定的实验条件下，库仑阻力被发现是负的——也就是说，向一个方向移动一个电子会导致另一张纸上的空穴向相反的方向移动!

这些结果无法用现有的理论来解释。

在这项新的研究中，这些令人困惑的结果是用以前在理论模型中没有考虑到的关键多波段过程来解释的。

以前对库仑阻力的实验研究是在传统半导体系统中进行的，传统半导体系统的带隙要大得多。

然而，双层石墨烯具有非常小的带隙，并且它可以被位于样品上方和下方的金属门的垂直电场所改变。

计算每个石墨烯双分子层中传导带和价带的输运是将理论与实验结果结合起来的“缺失环节”。当热能接近带隙能时，会出现奇怪的负阻力。

强的多带效应也会影响双层石墨烯中激子超流体的形成，因此这项工作为探索激子超流体开辟了新的可能性。

Mohammad Zarenia解释库仑阻力。照片由Homayoon Rafatijo博士拍摄

这项研究双双层石墨烯异质结构中库仑阻力符号反转的多频带机制由M. Zarenia, A.R. Hamilton, F.M. pepeters和D. Neilson于2018年7月发表在《物理评论快报》上。

确认这项研究是由大卫·尼尔森和穆罕默德·扎伦尼亚领导的比利时安特卫普大学．这项理论研究的作者使用了来自两个美国研究小组的实验人员提供的数据:哥伦比亚大学)和伊曼纽尔·图图克(德克萨斯大学奥斯汀分校)他发现了最初令人费解的结果。这项研究得到了佛兰德政府(比利时)、新南威尔士大学、英国皇家科学院的支持卡梅里诺大学而且澳大利亚研究理事会通过舰队。

超流体和舰队

FLEET研究激子超流体研究主题2由于它们具有携带零耗散电子电流的潜力，从而可以设计出超低能量的激子晶体管。

使用双原子薄(2D)薄片来携带激子将允许室温超流体流动，这是新技术成为可行的“超越CMOS”技术的关键。双层激子晶体管是一种用于信息处理的无耗散开关。

在超流体中，量子统计禁止散射，这意味着电子和空穴可以在没有阻力的情况下流动。

在这个单一的纯量子态中，所有粒子都以相同的动量流动，因此没有能量会因耗散而损失。

FLEET(澳大利亚研究委员会未来低能耗电子技术卓越中心)汇集了100多名澳大利亚和国际专家，共同致力于开发新一代超低能耗电子产品。

这些工作背后的动力是日益增长的挑战计算能量美国耗电量占全球的5-8%，而且每十年就翻一番。

这种超微型设备的一个关键挑战是过热——它们的超小表面严重限制了电流热量的逸出途径。

更多的信息

埃罗尔·亨特新闻，合作伙伴，新南威尔士大学