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激子在某些二维组合中形成超流体

2020-06-29 16:48:17 来源:网络 阅读:
  二维材料的混合和匹配计算模型使莱斯大学的科学家们认识到激子(电子和空穴短暂结合时存在的准粒子)可以以新的有用的方式操作。
  研究人员发现了少量具有相似原子晶格大小的2/D化合物,它们使激子在放置在一起时能够自发地形成。通常,当来自光或电的能量将电子和空穴提升到更高的状态时,激子就会产生。
  但莱斯材料理论家鲍里斯·雅各布斯(BorisYakobson)和他的团队预测了几种组合,并观察到激子在基态下是稳定的。根据它们的确定,这些激子在能量最低的状态下凝结成超流体。这一发现表明,它有望应用于电子、自旋电子学和量子计算领域。
  激子一词的意思是电子和空穴‘向更高能量的转变’,"雅各布森说。"所有冷系统都处于最低的能量状态,所以没有激子。但我们发现,60年前奈维尔·莫特(NevillMott)设想的那种物理系统状态似乎是一个悖论:激子可以在地下形成和存在的物理系统状态。
  研究生雅各布(Jacob)、桑尼·古普塔(SunnyGupta)和研究科学家亚历克斯·库塔纳(Alex Kutana)的开放获取研究出现在里斯布朗工程学院(Reese Brown School Of Engineering)的"自然通讯"(Nature Communications)杂志上。
  在评估了数千种可能性后,研究小组精确地模拟了23个双层异质结构,利用弱范德华力将它们的层松散排列,并计算出当它们相邻时如何对齐带隙。带隙定义了电子必须转变的距离,以使材料具有半导体特性。完美导体(金属或半金属,如石墨烯)没有带隙。
  最后,他们为每一个组合生成相图,并对它们进行映射,以便他们能够看到哪一个具有最大的实验研究潜力。
  最佳组合的特点是晶格参数匹配,最重要的是,电子能带的特殊位置形成一个间隙,也称为III型,"Jacobs说。
  研究人员写道,最方便的组合可以很容易地通过施加张力、弯曲或外部电场来调节。这样就可以调节激子的相态,使之具有玻色-爱因斯坦凝聚或超导BCS凝聚的"完美流体"特性。
  在量子凝聚中,低温下的波子粒子占据着集体的量子基态,"古普塔说。"这支持了宏观量子现象,如多余和超导电性。
  库塔纳补充道:"凝聚态之所以引人入胜,是因为它们具有奇怪的量子特性,每天都存在,不用显微镜就能进入,只需要低温。因为它们处于最低的能量状态,而且由于它们的量子性质,凝聚态不会失去能量,而且被证明是一种完美的无摩擦流体。
  研究人员一直希望在各种固体和气体系统中实现它们,"他说,"这种系统非常罕见,因此在其中加入二维材料将大大拓展我们进入量子世界的窗口,并为在新的、令人惊奇的设备中使用创造机会。
  最佳组合是锑-碲-硒和铋-碲-氯异质结构的双层组装。-氮-碘和锆-氮-氯;锂铝碲和铋碲碘。
  除了在每对中都有相似的晶格参数外,化学成分看上去并不是很直观,"Jacobs说,"如果没有困难的定量分析,我们就无法预测预期的行为。
  人们永远不会否认有机会发现偶然性--正如罗伯特·库尔(RobertCurl饰)所说,化学是幸运的。但是,在任何实验室中筛选数千种材料的组合是不现实的。但从理论上讲,这是可以做到的。