Des résultats expérimentaux mystérieux obtenus indépendamment par deux groupes de recherche aux États-Unis semblaient montrer des trous couplés et des électrons se déplaçant dans la direction opposée à la théorie.

Maintenant, une nouvelle étude théorique a expliqué le résultat précédemment mystérieux, en montrant que ce phénomène apparemment contradictoire est associé à la bande interdite dans les structures de graphène bicouche, une bande interdite qui est beaucoup plus petite que dans les semi-conducteurs conventionnels.

Les auteurs de l'étude, qui comprenait le collaborateur FLEET David Neilson à l'Université de Camerino et FLEET CI Alex Hamilton à l'Université de Nouvelle-Galles du Sud, ont découvert que la nouvelle théorie multibande expliquait pleinement les résultats expérimentaux auparavant inexplicables.

Transport d'excitons

Le transport Exciton est très prometteur pour les chercheurs, y compris le potentiel d'une future électronique à très faible dissipation.

Un exciton est une particule composite :un électron et un « trou » (une « quasi-particule » chargée positivement causée par l'absence d'un électron) liés ensemble par leurs charges électriques opposées.

Dans un exciton indirect, les électrons libres d'une feuille 2D peuvent être liés électrostatiquement à des trous libres de se déplacer dans la feuille 2D voisine.

Parce que les électrons et les trous sont chacun confinés dans leurs propres feuilles 2-D, ils ne peuvent pas se recombiner, mais ils peuvent se lier électriquement si les deux feuillets 2D sont très proches (quelques nanomètres).

Si les électrons de la feuille supérieure ("drive") sont accélérés par une tension appliquée, alors chaque trou associé dans la feuille inférieure (« traînée ») peut être « traîné » par son électron.

Cette « traînée » sur le trou peut être mesurée comme une tension induite à travers la feuille de traînée, et est appelée traînée de Coulomb.

Un objectif dans un tel mécanisme est que l'exciton reste lié, et voyager comme un superfluide, un état quantique à viscosité nulle, et donc sans gaspillage d'énergie.

Pour atteindre cet état superfluide, les matériaux 2D conçus avec précision doivent être séparés de quelques nanomètres seulement, tel que l'électron et le trou liés sont beaucoup plus proches l'un de l'autre qu'ils ne le sont de leurs voisins dans la même feuille.

Dans le dispositif étudié, une feuille de nitrure de bore hexagonal (hBN) sépare deux feuilles de graphène bicouche atomiquement mince (2-D), avec le hBN isolant empêchant la recombinaison des électrons et des trous.

Faire passer un courant à travers une feuille et mesurer le signal de traînée dans l'autre feuille permet aux expérimentateurs de mesurer les interactions entre les électrons d'une feuille et les trous de l'autre, et pour finalement détecter une signature claire de formation superfluide.

Seulement récemment, Nouveau, Des hétérostructures 2-D avec des barrières isolantes suffisamment minces ont été développées qui nous permettent d'observer les caractéristiques apportées par les fortes interactions électron-trou.

Expliquer l'inexplicable :la traînée négative

Cependant, des expériences publiées en 2016 ont montré des résultats extrêmement déroutants. Sous certaines conditions expérimentales, la traînée de Coulomb s'est avérée négative - c'est-à-dire que le déplacement d'un électron dans une direction a provoqué le déplacement du trou dans l'autre feuille dans la direction opposée !

Ces résultats ne pouvaient pas être expliqués par les théories existantes.

Dans cette nouvelle étude, ces résultats déroutants sont expliqués à l'aide de processus multibandes cruciaux qui n'avaient pas été pris en compte auparavant dans les modèles théoriques.

Des études expérimentales antérieures de la traînée de Coulomb avaient été réalisées dans des systèmes semi-conducteurs conventionnels, qui ont des bandes interdites beaucoup plus grandes.

Cependant, le graphène bicouche a une très petite bande interdite, et il peut être modifié par les champs électriques perpendiculaires des grilles métalliques positionnées au-dessus et au-dessous de l'échantillon.

Le calcul du transport dans les bandes de conduction et de valence dans chacune des bicouches de graphène était le «chaînon manquant» qui marie la théorie aux résultats expérimentaux. L'étrange traînée négative se produit lorsque l'énergie thermique se rapproche de l'énergie de la bande interdite.

Les effets multibandes puissants affectent également la formation de superfluides d'excitons dans le graphène bicouche, ce travail ouvre donc de nouvelles possibilités d'exploration dans les superfluides excitons.

L'étude, "Mécanisme multibande pour l'inversion de signe de la traînée de Coulomb observée dans des hétérostructures de graphène à double bicouche, " par M. Zarenia, A.R. Hamilton, F.M. Peeters et D. Neilson a été publié dans Lettres d'examen physique en juillet 2018.

Superfluides et FLOTTE

Les superfluides excitons sont étudiés dans le cadre du thème de recherche 2 de FLEET pour leur potentiel à véhiculer un courant électronique à dissipation nulle, et permettre ainsi la conception de transistors à excitons ultra basse énergie.

L'utilisation de feuilles jumelles atomiquement minces (2-D) pour transporter les excitons permettra un écoulement superfluide à température ambiante, ce qui est essentiel si la nouvelle technologie doit devenir une technologie viable « au-delà du CMOS ». Un transistor bicouche-exciton serait un commutateur sans dissipation pour le traitement de l'information.

Dans un superfluide, la diffusion est interdite par les statistiques quantiques, ce qui signifie que les électrons et les trous peuvent circuler sans résistance.

Dans ce single, état quantique pur, toutes les particules s'écoulent avec la même quantité de mouvement, de sorte qu'aucune énergie ne peut être perdue par dissipation.

FLEET (Australian Research Council Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) rassemble plus d'une centaine d'experts australiens et internationaux, avec la mission commune de développer une nouvelle génération d'électronique ultra basse consommation.

L'impulsion derrière un tel travail est le défi croissant de l'énergie utilisée dans le calcul, qui utilise 5 à 8 % de l'électricité mondiale et double tous les dix ans.

L'un des principaux défis de ces appareils ultra-miniatures est la surchauffe - leurs surfaces ultra-petites limitent sérieusement les voies de fuite de la chaleur des courants électriques.