De nouvelles recherches dirigées par Cornell ouvrent la voie à un objectif insaisissable des physiciens - la superfluidité à haute température - en explorant les excitons dans les semi-conducteurs atomiquement minces.

Un exciton, qui consiste en une paire électron-trou liée, est un faisceau mobile d'énergie qui peut exister dans les isolants et les semi-conducteurs. En utilisant des excitons avec une grande énergie de liaison, les chercheurs ont pu multiplier par cent la température de condensation, d'environ 1 kelvin (-457,87 F) à environ 100 kelvins (-279,67 F). La température ambiante est d'environ 295 kelvins.

Si la superfluidité à haute température reste à démontrer, ce condensat robuste de Bose-Einstein pourrait se traduire par un des systèmes d'éclairage plus efficaces qui surpassent les LED conventionnelles.

L'article de l'équipe de recherche, « Preuve de condensation d'excitons à haute température dans les doubles couches atomiques 2D, " a été publié le 2 octobre dans La nature .

"La réalisation d'un condensat d'excitons à une température beaucoup plus élevée que les études précédentes offre une opportunité passionnante d'explorer cette phase quantique de la matière dans des conditions expérimentales nettement moins strictes, " a déclaré le chercheur postdoctoral Zefang Wang, doctorat '18, l'auteur principal du journal.

Les particules quantiques appartiennent à deux classes fondamentales, les bosons et les fermions, qui se différencient par leur spin. Les bosons sont les socialisateurs, heureux d'être regroupés; les fermions sont comme les passagers d'un bus qui ne veulent pas s'asseoir les uns à côté des autres. Un type de boson est l'exciton, qui est composé de deux fermions - un électron apparié avec un trou électronique, qui est l'absence d'un électron dans le système - qui parviennent à surmonter leurs tendances antisociales et s'accrochent joyeusement à d'autres particules.

Les excitons dans les doubles couches atomiques 2D sont également de masse légère et de petite taille, ils peuvent donc être regroupés de manière dense - bien plus que les atomes et les excitons dans les matériaux conventionnels - et se comporter collectivement, qui pourrait permettre un écoulement sans viscosité ni résistance. Ce sont des conditions idéales pour atteindre la condensation et la superfluidité à des températures plus élevées.

"Les états quantiques de la matière sont généralement assez fragiles. C'est pourquoi vous devez les refroidir à très, température très basse dans un laboratoire, pour les protéger et les isoler de l'environnement, " dit Kin Fai Mak, professeur agrégé de physique à la Faculté des arts et des sciences, le co-auteur principal de l'article avec Jie Shan, professeur de physique appliquée et d'ingénierie au College of Engineering.

"Mais, " Mak a dit, « si vous pouvez créer un état quantique de la matière plus robuste qui vit heureux à haute température, ou même à condition ambiante, alors il y a beaucoup de choses que vous pouvez faire avec."

L'optoélectronique est l'une de ces applications potentielles. Dans les LED classiques, les excitons se comportent indépendamment, plutôt que de manière coopérative, car ils ne sont pas dans un état condensé. Mais une fois condensé, les particules peuvent se recombiner collectivement et produire des photons beaucoup plus efficacement.

"Vous pouvez réellement créer beaucoup plus lumineux, des sources lumineuses plus économes en énergie que les LED classiques, " dit Mak.

L'équipe a adopté une approche résolument « low-tech » pour assembler leurs couches de condensation :ils ont utilisé du ruban adhésif transparent pour décoller les monocouches d'atomes des cristaux et les réempiler avec les électrons et les trous, séparés d'environ 1 nanomètre et alignés pour maximiser leur attraction. formant des bosons aimant la société.

"Une propriété exceptionnelle du condensat est que les bosons peuvent s'écouler sans résistance, " dit Mak. "Ce que cela signifie, c'est que chaque couche en elle-même est un supraconducteur. Donc, une autre voie pour créer un supraconducteur à haute température consiste essentiellement à fabriquer ce type de structure et à mesurer séparément la résistance sur la couche individuelle pour voir si elle a une résistance nulle. Et nous travaillons sur ce type d'expérience."