Crédit :Olivia Kong
Un empilement de matériaux 2D pourrait-il permettre des supercourants à des températures chaudes révolutionnaires, facilement réalisable dans la cuisine domestique?
Une étude internationale publiée en août ouvre une nouvelle voie aux supercourants à haute température à des températures aussi "chaudes" qu'à l'intérieur d'un réfrigérateur de cuisine.
Le but ultime est d'atteindre la supraconductivité (c'est-à-dire courant électrique sans aucune perte d'énergie à la résistance) à une température raisonnable.
Vers la supraconductivité à température ambiante
Précédemment, la supraconductivité n'a été possible qu'à des températures très basses, moins de -170°C sous zéro, même l'Antarctique serait bien trop chaud !
Pour cette raison, les coûts de refroidissement des supraconducteurs ont été élevés, nécessitant des systèmes de refroidissement coûteux et énergivores.
La supraconductivité aux températures quotidiennes est l'objectif ultime des chercheurs dans le domaine.
Ce nouveau dispositif à super-réseau semi-conducteur pourrait constituer la base d'une classe radicalement nouvelle d'électronique à très basse énergie avec une consommation d'énergie par calcul considérablement inférieure à celle conventionnelle, électronique à base de silicium (CMOS).
Une telle électronique, basé sur de nouveaux types de conduction dans lesquels les transistors à semi-conducteurs basculent entre zéro et un (c'est-à-dire, commutation binaire) sans résistance à température ambiante, est l'objectif du Centre d'Excellence FLEET.
Les supercourants d'excitons dans l'électronique économe en énergie
Parce que les électrons de charge opposée et les trous dans les semi-conducteurs sont fortement attirés les uns vers les autres électriquement, ils peuvent former des paires étroitement liées. Ces particules composites sont appelées excitons, et ils ouvrent de nouvelles voies vers la conduction sans résistance à température ambiante.
Les excitons peuvent en principe former un quantum, état "superfluide", dans lequel ils se déplacent ensemble sans résistance. Avec des excitons si étroitement liés, la superfluidité devrait exister à des températures élevées, même aussi élevées que la température ambiante.
Des paires d'électrons et de trous liés (une particule composite appelée exciton) se déplacent dans un quantum 3D, état «superfluide» à l'intérieur d'une «pile» de couches alternées. Les électrons et les trous se déplacent le long de couches 2D séparées. Crédit :Olivia Kong
Mais malheureusement, parce que l'électron et le trou sont si proches l'un de l'autre, en pratique, les excitons ont des durées de vie extrêmement courtes :quelques nanosecondes seulement, pas assez de temps pour former un superfluide.
Comme solution de contournement, l'électron et le trou peuvent être maintenus complètement séparés en deux, couches conductrices atomiquement minces séparées, créant des excitons dits « spatialement indirects ». Les électrons et les trous se déplacent le long de couches conductrices séparées mais très proches. Cela rend les excitons de longue durée, et en effet la superfluidité a été récemment observée dans de tels systèmes.
Contre-courant dans l'exciton superfluide, dans lequel les électrons et les trous de charges opposées se déplacent ensemble dans leurs couches séparées, permet aux soi-disant "supercourants" (courants électriques sans dissipation) de circuler avec une résistance nulle et aucune énergie gaspillée. En tant que tel, c'est clairement une perspective passionnante pour l'avenir, électronique ultra basse consommation.
Les couches empilées surmontent les limitations 2D
Sara Conti qui est co-auteur de l'étude, note cependant un autre problème :les couches conductrices atomiquement minces sont bidimensionnelles, et dans les systèmes 2-D, il existe des restrictions quantiques topologiques rigides découvertes par David Thouless et Michael Kosterlitz (prix Nobel 2016), qui éliminent la superfluidité à très basse température, au-dessus d'environ –170°C.
La principale différence avec le nouveau système proposé de couches atomiquement minces empilées de matériaux semi-conducteurs à base de dichalcogénure de métal de transition (TMD), est qu'il est en trois dimensions.
Les limitations topologiques du 2-D sont surmontées en utilisant ce super-réseau 3-D de couches minces. Les couches alternatives sont dopées avec des électrons en excès (dopé n) et des trous en excès (dopé p) et ceux-ci forment les excitons 3-D.
L'étude prédit que des supercourants d'excitons circuleront dans ce système à des températures aussi chaudes que –3°C.
David Neilson, qui a travaillé pendant de nombreuses années sur la superfluidité des excitons et les systèmes 2D, dit "Le super-réseau 3-D proposé sort des limites topologiques des systèmes 2-D, tenant compte des supercourants à –3°C. Parce que les électrons et les trous sont si fortement couplés, d'autres améliorations de conception devraient porter cela jusqu'à la température ambiante."
"Étonnamment, il devient courant aujourd'hui de produire des empilements de ces couches atomiquement minces, les aligner atomiquement, et les tenant ensemble avec la faible attraction atomique de van der Waals, " explique le professeur Neilson. " Et bien que notre nouvelle étude soit une proposition théorique, il est soigneusement conçu pour être réalisable avec la technologie actuelle."
L'étude
L'étude a porté sur la superfluidité dans un empilement constitué de couches alternées de deux matériaux monocouches différents (dichalcogénures de métaux de transition TMDC dopés n et p WS2 et WSe2).
Le papier, "Superfluidité électron-trou tridimensionnelle dans un superréseau proche de la température ambiante, " a été publié en tant que Communication Rapide dans Examen physique B en août 2020.
