¿Podría una pila de materiales 2D permitir supercorrientes a temperaturas increíblemente cálidas, fácilmente alcanzables en la cocina del hogar?
Un estudio internacional publicado en agosto abre una nueva ruta hacia las supercorrientes de alta temperatura a temperaturas tan 'cálidas' como dentro de la nevera de una cocina.
El objetivo final es lograr superconductividad es decir, corriente eléctrica sin pérdida de energía por resistencia a una temperatura razonable.
HACIA LA SUPERCONDUCTIVIDAD DE TEMPERATURA AMBIENTE
Anteriormente, la superconductividad solo era posible a temperaturas imprácticamente bajas, menos de -170 ° C bajo cero, ¡incluso la Antártida sería demasiado cálida!
Por esta razón, los costos de enfriamiento de los superconductores han sido altos, requiriendo sistemas de enfriamiento costosos y que consumen mucha energía.
La superconductividad a temperaturas diarias es el objetivo final de los investigadores en el campo.
Este nuevo dispositivo de superrejilla semiconductora podría formar la base de una clase radicalmente nueva de electrónica de energía ultrabaja con un consumo de energía por computación mucho más bajo que la electrónica convencional basada en silicio CMOS.
Dicha electrónica, basada en nuevos tipos de conducción en los que los transistores de estado sólido cambian entre cero y uno es decir, conmutación binaria sin resistencia a temperatura ambiente, es el objetivo del Centro de Excelencia FLEET.
SUPERCORRIENTES EXCITON EN ELECTRÓNICA EFICIENTE ENERGÉTICA
Debido a que los electrones con carga opuesta y los huecos en los semiconductores se atraen fuertemente entre sí eléctricamente, pueden formar pares muy unidos. Estas partículas compuestas se llaman excitones y abren nuevos caminos hacia la conducción sin resistencia a temperatura ambiente.
Los excitones pueden, en principio, formar un estado cuántico, 'superfluido', en el que se mueven juntos sin resistencia. Con excitones tan fuertemente unidos, la superfluidez debería existir a altas temperaturas, incluso tan altas como la temperatura ambiente.
Pero, desafortunadamente, debido a que el electrón y el agujero están tan juntos, en la práctica, los excitones tienen una vida útil extremadamente corta, solo unos pocos nanosegundos, no el tiempo suficiente para formar un superfluido.
Como solución, el electrón y el agujero se pueden mantener completamente separados en dos, separados atómicamente delgado capas conductoras, que crean los llamados excitones 'espacialmente indirectos'. Los electrones y los huecos se mueven a lo largo de capas conductoras separadas pero muy cercanas. Esto hace que los excitones tengan una vida larga y, de hecho, recientemente se ha observado superfluidez en tales sistemas.
El contraflujo en el superfluido de excitones, en el que los electrones con carga opuesta y los agujeros se mueven juntos en sus capas separadas, permite que las llamadas 'supercorrientes' corrientes eléctricas sin disipación fluyan con resistencia cero y energía desperdiciada cero.claramente una perspectiva emocionante para la electrónica futura de energía ultrabaja.
LAS CAPAS APILADAS SUPERAN LAS LIMITACIONES 2D
Sara Conti, coautora del estudio, señala otro problema, sin embargo: las capas conductoras atómicamente delgadas son bidimensionales, y en los sistemas 2D existen restricciones cuánticas topológicas rígidas descubiertas por David Thouless y Michael Kosterlitz premio Nobel 2016., que eliminan la superfluidez a temperaturas muy bajas, por encima de aproximadamente -170 ° C.
La diferencia clave con el nuevo sistema propuesto de capas apiladas atómicamente delgadas de materiales semiconductores de dicalcogenuro de metal de transición TMD es que lo es tres dimensionesa l.
Las limitaciones topológicas de 2D se superan mediante el uso de esta "superrejilla" 3D de capas delgadas. Las capas alternas se dopan con electrones en exceso dopado con n y agujeros en exceso dopado con p y estos forman los excitones 3D.
El estudio predice que las supercorrientes de excitones fluirán en este sistema a temperaturas tan cálidas como -3 ° C.
David Neilson, que ha trabajado durante muchos años en superfluidez de excitones y sistemas 2D, dice: "La superrejilla 3D propuesta rompe las limitaciones topológicas de los sistemas 2D, permitiendo supercorrientes a -3 ° C. Porque los electrones y los huecos son tanfuertemente acoplados, las mejoras de diseño adicionales deberían llevar esto hasta la temperatura ambiente ".
"Sorprendentemente, hoy en día se está volviendo una rutina producir pilas de estas capas atómicamente delgadas, alineándolas atómicamente y manteniéndolas juntas con la débil atracción atómica de van der Waals", explica el profesor Neilson. "Y mientras nuestro nuevo estudio esuna propuesta teórica, está cuidadosamente diseñada para ser factible con la tecnología actual ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro de excelencia ARC en tecnologías futuras de electrónica de bajo consumo energético . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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