Des résultats déroutants expliqués - une approche multibande de la traînée de Coulomb et des excitons indirects

Anonim

Des résultats expérimentaux mystifiants obtenus indépendamment par deux groupes de recherche aux États-Unis semblaient montrer des trous couplés et des électrons se déplaçant dans la direction opposée à la théorie.

Or, une nouvelle étude théorique a expliqué le résultat précédemment mystérieux, en montrant que ce phénomène apparemment contradictoire est associé à la bande interdite dans les structures de graphène double couche, une bande interdite très inférieure à celle des semi-conducteurs classiques.

Les auteurs de l’étude, dont David Neilson, collaborateur de FLEET à l’Université de Camerino et Alex Hamilton de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud, ont constaté que la nouvelle théorie multibande expliquait pleinement les résultats expérimentaux inexplicables.

Transport d'excitons

Le transport Exciton est très prometteur pour les chercheurs, y compris le potentiel d'électronique future à très faible dissipation.

Un exciton est une particule composite: un électron et un «trou» (une «quasiparticule» chargée positivement due à l'absence d'un électron) liés entre eux par leurs charges électriques opposées.

Dans un exciton indirect, les électrons libres d'une feuille 2-D peuvent être liés électrostatiquement à des trous libres dans la feuille 2D voisine.

Parce que les électrons et les trous sont chacun confinés à leurs propres feuilles à deux dimensions, ils ne peuvent pas se recombiner, mais ils peuvent se lier électriquement si les deux feuilles à deux dimensions sont très proches (quelques nanomètres).

Si les électrons de la feuille supérieure («lecteur») sont accélérés par une tension appliquée, chaque trou de partenariat de la feuille inférieure («glisser») peut être «traîné» par son électron.

Cette "traînée" sur le trou peut être mesurée en tant que tension induite sur la feuille de résistance et est appelée traînée de Coulomb.

Un objectif dans un tel mécanisme est que l'exciton reste lié et se déplace en tant que superfluide, un état quantique avec une viscosité nulle, et donc sans perte dissipée d'énergie.

Pour obtenir cet état superflu, les matériaux 2D conçus avec précision doivent être maintenus à quelques nanomètres l'un de l'autre, de sorte que l'électron lié et le trou soient beaucoup plus proches l'un de l'autre qu'ils ne le sont à leurs voisins.

Dans le dispositif étudié, une feuille de nitrure de bore hexagonal (hBN) sépare deux feuilles de graphène bicouche atomiquement mince (2-D), l'hBN isolant empêchant la recombinaison d'électrons et de trous.

Le passage d'un courant à travers une feuille et la mesure du signal de traînée dans l'autre feuille permettent aux expérimentateurs de mesurer les interactions entre les électrons dans une feuille et des trous dans l'autre, et de détecter une signature claire de la formation superfluide.

Ce n'est que récemment que de nouvelles hétérostructures à deux dimensions avec des barrières isolantes suffisamment minces ont été développées pour permettre d'observer les caractéristiques apportées par de fortes interactions électron-trou.

Expliquer l'inexplicable: traînée négative

Cependant, les expériences publiées en 2016 ont montré des résultats extrêmement curieux. Dans certaines conditions expérimentales, la traînée de Coulomb s'est révélée négative, c'est-à-dire que déplacer un électron dans une direction a provoqué le déplacement du trou dans l'autre sens!

Ces résultats ne peuvent être expliqués par les théories existantes.

Dans cette nouvelle étude, ces résultats déroutants sont expliqués en utilisant des processus multi-bandes cruciaux qui n'avaient pas encore été pris en compte dans les modèles théoriques.

Des études expérimentales antérieures sur la traînée de Coulomb ont été effectuées dans des systèmes à semi-conducteurs classiques, qui présentent des bandes interdites beaucoup plus grandes.

Cependant, le graphène bicouche a une très faible bande interdite et il peut être modifié par les champs électriques perpendiculaires provenant des grilles métalliques situées au-dessus et au-dessous de l'échantillon.

Le calcul du transport dans les bandes de conduction et de valence dans chacune des bicouches de graphène était le «chaînon manquant» qui associe la théorie aux résultats expérimentaux. L'étrange traînée négative se produit lorsque l'énergie thermique s'approche de l'énergie de la bande interdite.

Les effets multibandes puissants affectent également la formation de superfluides d’excitons dans le graphène bicouche. Ce travail ouvre donc de nouvelles possibilités d’exploration dans les superfluides d’excitons.

L'étude, "Mécanisme multibande pour l'inversion de signe de traînée de Coulomb observée dans les hétérostructures de graphène à double bicouche", par M. Zarenia, AR Hamilton, FM Peeters et D. Neilson a été publiée dans Physical Review Letters en juillet 2018.

Superfluides et FLOTTE

Les superfluides d’excitons sont étudiés dans le cadre du thème de recherche 2 de FLEET pour leur potentiel à véhiculer un courant électronique à dissipation nulle et permettent ainsi de concevoir des transistors d’exciton à très basse énergie.

L'utilisation de deux feuilles minces (2-D) pour transporter les excitons permettra un écoulement superflu à la température ambiante, ce qui est essentiel pour que la nouvelle technologie devienne une technologie viable «au-delà de la CMOS». Un transistor bicouche-exciton constituerait un commutateur sans dissipation pour le traitement de l'information.

Dans un superfluide, la diffusion est interdite par les statistiques quantiques, ce qui signifie que les électrons et les trous peuvent circuler sans résistance.

Dans ce seul état quantique pur, toutes les particules s'écoulent avec le même élan, de sorte qu'aucune énergie ne peut être perdue par dissipation.

FLEET (Centre d'excellence du Conseil australien de la recherche sur les futures technologies de l'électronique à faible consommation énergétique) réunit plus d'une centaine d'experts australiens et internationaux, avec pour mission commune de développer une nouvelle génération d'électronique à très faible consommation énergétique.

L'impulsion derrière de tels travaux est le défi croissant de l'énergie utilisée dans le calcul, qui utilise 5 à 8% de l'électricité mondiale et qui double tous les dix ans.

La surchauffe est un défi majeur de ces appareils ultra-miniatures - leurs surfaces extrêmement petites limitent sérieusement les possibilités d'évacuation de la chaleur provenant des courants électriques.

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