一堆二维材料能否允许在突破性的温暖温度下产生超电流，这在家庭厨房中很容易实现?8 月发表的一项国际研究开辟了一条通往在厨房冰箱内“温暖”的温度下产生高温超流的新途径。

最终目标是在合理的温度下实现超导性(即电流没有任何能量损失到电阻)。

走向室温超导

以前，超导性只能在不切实际的低温下(低于零以下 -170°C)才能实现——即使是南极也太热了!

因此，超导体的冷却成本一直很高，需要昂贵且耗能的冷却系统。

日常温度下的超导性是该领域研究人员的最终目标。

这种新的半导体超晶格器件可以构成全新类别的超低能耗电子设备的基础，其每次计算的能耗比传统的硅基 (CMOS) 电子设备要低得多。

这种基于新型传导的电子设备是 FLEET 卓越中心的目标，其中固态晶体管在室温下无电阻地在零和一之间切换(即二进制切换)。

节能电子产品中的激子超电流

由于半导体中带相反电荷的电子和空穴在电气上相互强烈吸引，因此它们可以形成紧密结合的对。这些复合粒子被称为激子，它们开辟了在室温下无电阻传导的新路径。

激子原则上可以形成一种量子“超流体”状态，在这种状态下，它们可以毫无阻力地一起移动。有了如此紧密束缚的激子，超流体应该在高温下存在——甚至高达室温。

绑定的电子和空穴对(称为激子的复合粒子)在交替层的“堆叠”内以 3D 量子、“超流体”状态移动。电子和空穴沿着单独的 2D 层移动。信用：奥利维亚孔

但不幸的是，由于电子和空穴靠得太近，实际上激子的寿命极短——只有几纳秒，不足以形成超流体。

作为一种变通方法，可以将电子和空穴完全分开，分成两个原子级薄的导电层，从而产生所谓的“空间间接”激子。电子和空穴沿着分开但非常靠近的导电层移动。这使得激子寿命很长，而且最近确实在这样的系统中观察到了超流动性。

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的单独层中一起移动，允许所谓的“超电流”(无耗散电流)以零电阻和零浪费能量流动。因此，对于未来的超低能耗电子产品来说，这显然是一个令人兴奋的前景。

堆叠层克服了二维限制

然而，作为该研究的合著者 Sara Conti 指出了另一个问题：原子级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)，在非常低的温度下消除超流动性，高于约 –170°C。

与新提出的过渡金属二硫属化物 (TMD) 半导体材料原子级薄层堆叠系统的主要区别在于它是三维的。

通过使用薄层的这种 3-D 超晶格，可以克服 2-D 的拓扑限制。交替层掺杂过量电子(n 掺杂)和过量空穴(p 掺杂)，这些形成 3-D 激子。

该研究预测激子超电流将在该系统中流动，温度高达 –3°C。

在激子超流体和 2-D 系统方面工作多年的 David Neilson说：“所提出的 3-D 超晶格突破了 2-D 系统的拓扑限制，允许在 –3°C 下产生超电流。因为电子和孔之间的耦合如此之强，进一步的设计改进应该能将其带到室温。”

尼尔森教授解释说：“令人惊讶的是，如今生产这些原子级薄层的堆叠、以原子方式排列它们并用微弱的范德瓦尔斯原子吸引力将它们保持在一起已成为常规。” “虽然我们的新研究是一个理论上的建议，但它经过精心设计，可以通过现有技术实现。”

研究

该研究着眼于由两种不同单层材料(n 和 p 掺杂的 TMDC 过渡金属二硫属元素化物 WS2 和 WSe2)的交替层制成的堆叠中的超流动性。

纸“在超晶格接近室温三维电子-空穴超流温度，”发表如在快速通信物理评论B在2020年八月。