堆叠式2D材料的厨房温度超电流

一堆二维材料是否可以在突破性的温暖温度下允许超电流通过，这在家用厨房中很容易实现?八月份发表的一项国际研究为高温超电流打开了一条新途径，这种高温超电流的温度与厨房冰箱内部一样“温暖”。最终目的是在合理的温度下实现超导性(即电流，不会对电阻产生任何能量损失)。

迈向室温超导

以前，只有在不切实际的低温(低于零以下-170°C)下才可能实现超导，甚至南极也太温暖了!

因此，超导体的冷却成本很高，需要昂贵且耗能大的冷却系统。

日常温度下的超导性是该领域研究人员的最终目标。

这种新型的半导体超晶格器件可以构成一种全新的超低能耗电子产品的基础，与传统的基于硅的(CMOS)电子产品相比，其每次计算的能耗要低得多。

这种电子产品基于新型导电，其中固态晶体管在室温下在零和一之间切换(即，二进制切换)而没有电阻，这是FLEET卓越中心的目标。

节能电子中的激子超电流

由于半导体中带相反电荷的电子和空穴之间会强烈地相互吸引，因此它们可以形成紧密结合的对。这些复合粒子称为激子，它们在室温下没有阻力的情况下开辟了新的传导途径。

激子原则上可以形成量子“超流体”状态，在这种状态下，它们无阻力地一起运动。对于这样紧密结合的激子，超流体应存在于高温下，甚至与室温一样高。

束缚的电子和空穴对(称为激子的复合粒子)以3D量子“超流体”状态移动，位于交替层的“堆栈”中。电子和空穴沿着单独的2D层移动。图片来源：Olivia Kong

但不幸的是，由于电子和空穴之间的距离非常近，因此在实际中，激子的寿命极短，只有几纳秒，没有足够的时间形成超流体。

解决方法是，将电子和空穴完全分隔为两个分开的原子薄的导电层，从而形成所谓的“空间间接”激子。电子和空穴沿着分开但非常接近的导电层移动。这使得激子寿命长，实际上最近在这种系统中观察到了超流体。

激子超流体中的逆流，其中带相反电荷的电子和空穴在它们各自的层中一起移动，使得所谓的“超电流”(无耗散电流)以零电阻和零浪费的能量流动。因此，对于未来的超低能耗电子产品而言，无疑是令人振奋的前景。

堆叠层克服了二维限制

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，David Thouless和Michael Kosterlitz(2016年诺贝尔奖)发现了严格的拓扑量子限制)，消除了在–170°C以上的极低温度下的超流动性。

与新提出的堆叠过渡金属二卤化半导体(TMD)半导体原子薄层的系统的主要区别在于，它是三维的。

通过使用薄层的3-D超晶格可以克服2-D的拓扑限制。交替层中掺杂有过量的电子(n掺杂)和过量的空穴(p掺杂)，它们形成了3-D激子。

研究预测，在温度高达–3°C时，激子超电流将在该系统中流动。

在激子超流体和二维系统上已经工作了多年的David Neilson说：“提出的3-D超晶格突破了二维系统的拓扑限制，允许在–3°C的超电流。因为电子而且孔之间的耦合非常紧密，进一步的设计改进应该使这种温度上升到室温。”

尼尔森教授解释说：“令人惊讶的是，如今，生产这些原子薄层的叠层，原子排成一行并用弱的范德华原子吸引将它们固定在一起已成为一种常规。” “尽管我们的新研究是理论上的建议，但经过精心设计使其可以与现有技术一起使用。”