10月5日消息,康奈爾大學領導的新研究,通過探索原子級半導體中的激子,為物理學家一個難以實現的目標(高溫超流性)指明了方向。由束縛電子-空穴對組成的激子是能夠存在于絕緣體和半導體中可移動的能量束。通過使用具有大結合能的激子,研究人員能夠將冷凝溫度提高一百倍,從大約1開爾文(-272.15℃)到大約100開爾文(-173.15℃),室溫大約是295開爾文(22℃)。雖然高溫超流性仍有待證明,但這種強大的玻色-愛因斯坦凝聚物可能會促使更明亮、更高效的照明系統,使傳統LED相形見絀。


康奈爾大學研究出一種制造高溫超導體的方法,源自凝聚體能讓玻色子0阻力流動


其研究發現現在發表在《自然》期刊上,該研究的主要作者、博士后研究員王澤芳(Zfang Wang,Ph.D.‘18)說:在比早期研究高得多的溫度下實現激子凝聚,為在明顯不那么嚴格的實驗條件下,探索物質的這一量子階段提供了一個令人興奮的機會。


量子粒子分為兩個基本類別:玻色子和費米子這兩類粒子區別在于它們的自旋。玻色子是社會化的人,很高興被聚集在一起;費米子就像公共汽車上的乘客,不想坐在一起。


康奈爾大學研究出一種制造高溫超導體的方法,源自凝聚體能讓玻色子0阻力流動


一種類型的玻色子是激子,它由兩個費米子組成,一個電子與一個電子空穴配對。這是系統中沒有電子,設法克服它們的反社會傾向,愉快地附著在其他粒子上。2-D原子雙層中的激子質量也很輕,尺寸很小,所以它們可以緊密地堆積在一起(比傳統材料中的原子和激子多得多)并集體行為,這可以允許流動而沒有粘度或阻力,這些是在較高溫度下實現冷凝和超流的理想條件。共同高級作者,藝術與科學學院物理學副教授Kin Fai Mak和工程學院應用和工程物理教授單杰(音譯)說:


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物質的量子態通常非常脆弱,這就是為什么必須在實驗室里將它們降溫到非常低的溫度,以保護它們并將它們與環境隔離的原因。但是,如果能創造出一種更穩定的物質量子態,它可以在高溫,甚至在環境條件下快樂地生活,那么你可以用它做很多事情。其中一個潛在的應用是光電子學,在傳統的LED中,激子的行為是獨立的,而不是合作的,因為它們不處于凝聚狀態。但一旦凝聚,粒子可以集體重組并更有效地產生光子。實際上,可以創造出比傳統LED更明亮,更節能的光源。


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該研究團隊采用了一種明確的“低技術”方法來組裝凝聚層:使用透明膠帶從晶體上剝離原子的單層,并將它們與電子和空穴重新堆疊間隔約1納米,并排列成最大限度地吸引形成社交愛好的玻色子。凝聚體的一個突出特性是玻色子可以在沒有阻力的情況下流動,這意味著每一層本身就是一個超導體。所以創造高溫超導體的另一種途徑基本上是制造這種類型的結構,并分別測量每一層上的電阻,看看它是否具有零電阻,科學家們正在進行這種類型的實驗。


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