Adoptar un enfoque multibanda explica el 'arrastre inverso del agujero de electrones' y la formación de excitones.
Los desconcertantes resultados experimentales obtenidos independientemente por dos grupos de investigación en los EE. UU. Parecían mostrar agujeros acoplados y electrones moviéndose en la dirección opuesta a la teoría.
Ahora, un nuevo estudio teórico ha explicado el resultado anteriormente misterioso, al mostrar que este fenómeno aparentemente contradictorio está asociado con la banda prohibida en las estructuras de grafeno de doble capa, una banda prohibida que es mucho más pequeña que en los semiconductores convencionales.
Los autores del estudio, que incluían al colaborador de FLEET David Neilson en la Universidad de Camerino y FLEET CI Alex Hamilton en la Universidad de Nueva Gales del Sur, encontraron que la nueva teoría multibanda explicaba completamente los resultados experimentales previamente inexplicables.
transporte exciton
El transporte Exciton ofrece una gran promesa para los investigadores, incluido el potencial para la electrónica futura de disipación ultrabaja.
Un excitón es una partícula compuesta: un electrón y un 'agujero' una 'cuasipartícula' cargada positivamente causada por la ausencia de un electrón unidos por sus cargas eléctricas opuestas.
En un excitón indirecto, los electrones libres en una hoja 2D pueden unirse electrostáticamente a agujeros que pueden viajar libremente en la hoja 2D vecina.
Debido a que los electrones y los agujeros están confinados a sus propias hojas 2D, no pueden recombinarse, pero pueden unirse eléctricamente si las dos hojas 2D están muy cerca unos pocos nanómetros.
Si los electrones en la hoja superior 'impulso' son acelerados por un voltaje aplicado, entonces cada agujero asociado en la hoja inferior 'arrastre' puede ser 'arrastrado' por su electrón.
Este 'arrastre' en el agujero se puede medir como un voltaje inducido a través de la hoja de arrastre y se conoce como arrastre de Coulomb.
Un objetivo en tal mecanismo es que el excitón permanezca unido y viaje como un superfluido, un estado cuántico con viscosidad cero y, por lo tanto, sin desperdicio de energía.
Para lograr este estado superfluido, los materiales 2D diseñados con precisión deben mantenerse separados solo unos pocos nanómetros, de modo que el electrón y el agujero ligados estén mucho más cerca uno del otro que de sus vecinos en la misma hoja.
En el dispositivo estudiado, una lámina de nitruro de boro hexagonal hBN separa dos láminas de grafeno bicapa atómicamente delgado 2D, y el hBN aislante evita la recombinación de electrones y huecos.
Pasar una corriente a través de una hoja y medir la señal de arrastre en la otra hoja permite a los experimentadores medir las interacciones entre los electrones en una hoja y los agujeros en la otra, y finalmente detectar una firma clara de formación de superfluidos.
Solo recientemente, se han desarrollado nuevas heteroestructuras 2D con barreras aislantes suficientemente delgadas que nos permiten observar características provocadas por fuertes interacciones electrón-agujero.
Explicando lo inexplicable: arrastre negativo
Sin embargo, los experimentos publicados en 2016 mostraron resultados extremadamente desconcertantes. Bajo ciertas condiciones experimentales, se encontró que el arrastre de Coulomb era negativo, es decir, mover un electrón en una dirección hacía que el agujero en la otra hoja se moviera en la dirección opuesta.
Estos resultados no se pueden explicar con las teorías existentes.
En este nuevo estudio, estos desconcertantes resultados se explican utilizando procesos multibanda cruciales que no se habían considerado previamente en modelos teóricos.
Los estudios experimentales previos del arrastre de Coulomb se habían realizado en sistemas semiconductores convencionales, que tienen bandgaps mucho más grandes
Sin embargo, el grafeno bicapa tiene una banda prohibida muy pequeña, y puede ser cambiado por los campos eléctricos perpendiculares de las puertas metálicas colocadas encima y debajo de la muestra.
El cálculo del transporte en las bandas de conducción y de valencia en cada una de las bicapas de grafeno fue el 'eslabón perdido' que une la teoría con los resultados experimentales. La extraña resistencia negativa ocurre cuando la energía térmica se acerca a la energía de la banda prohibida.
Los fuertes efectos multibanda también afectan la formación de superfluidos de excitones en el grafeno bicapa, por lo que este trabajo abre nuevas posibilidades para la exploración en superfluidos de excitones.
El estudio Multiband Mechanism for the Sign Reversal of Coulomb Drag Observed in Double Bilayer Graphene Heterostructures por M. Zarenia, AR Hamilton, FM Peeters y D. Neilson fue publicado en Cartas de revisión física en julio de 2018.
Reconocimiento: El estudio fue dirigido por David Neilson y Mohammad Zarenia mientras estaba en la Universidad de Amberes, Bélgica. Los autores del estudio teórico trabajaron con datos proporcionados por los experimentadores de los dos grupos de EE. UU.: Cory Dean Universidad de Columbia yEmanuel Tutuc Universidad de Texas en Austin, quien descubrió los desconcertantes resultados originales. La investigación fue apoyada por el gobierno flamenco Bélgica, la Universidad de Nueva Gales del Sur, la Universidad de Camerino y por el Consejo Australiano de Investigación a través de FLEET.
Superfluidos y FLOTA
Los superfluidos de exciton se estudian en el tema de investigación 2 de FLEET por su potencial para transportar corriente electrónica de disipación cero y, por lo tanto, permiten el diseño de transistores de excitón de energía ultrabaja.
El uso de láminas gemelas delgadas atómicamente 2D para transportar los excitones permitirá el flujo de superfluidos a temperatura ambiente, lo cual es clave para que la nueva tecnología se convierta en una tecnología viable 'más allá de CMOS'. Un transistor de excitones bicapaser un interruptor sin disipación para el procesamiento de información.
En un superfluido, la dispersión está prohibida por las estadísticas cuánticas, lo que significa que los electrones y los huecos pueden fluir sin resistencia.
En este estado cuántico único y puro, todas las partículas fluyen con el mismo impulso, de modo que no se puede perder energía por disipación.
FLEET el Centro de Excelencia del Consejo de Investigación de Australia en Tecnologías Futuras de Electrónica de Baja Energía reúne a más de cien expertos australianos e internacionales, con la misión compartida de desarrollar una nueva generación de electrónica de energía ultrabaja.
El ímpetu detrás de este trabajo es el creciente desafío de la energía utilizada en la computación, que usa del 5 al 8% de la electricidad global y se duplica cada década.
Un desafío clave de estos dispositivos ultraminiatura es el sobrecalentamiento: sus superficies ultrapequeñas limitan seriamente las formas de escapar del calor de las corrientes eléctricas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro ARC de excelencia en tecnologías futuras de electrónica de bajo consumo energético . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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