รูปแบบของพลังงาน

นักวิจัยได้ระบุสารประกอบ 2 มิติชุดเล็กๆ ที่มีขนาดโครงตาข่ายอะตอมที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งเมื่อนำมารวมกันจะทำให้ excitons ก่อตัวขึ้นเองตามธรรมชาติ โดยทั่วไป exciton เกิดขึ้นเมื่อพลังงานจากแสงหรือไฟฟ้าเพิ่มอิเล็กตรอนและโฮลให้อยู่ในสถานะที่สูงขึ้น แต่ในบางชุดค่าผสมที่ทำนายโดยบอริส ยาคอบสัน นักทฤษฎีวัสดุของข้าวและทีมงานของเขา พบว่า exciton คงที่ที่สถานะพื้นของวัสดุ ตามการพิจารณาของพวกเขา excitons เหล่านี้ที่สถานะพลังงานต่ำสุดสามารถควบแน่นเป็นเฟสของไหลยิ่งยวด การค้นพบนี้แสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาสำหรับแอปพลิเคชันอิเล็กทรอนิกส์ สปินโทรนิก และควอนตัมคอมพิวเตอร์ Yakobson กล่าวว่า "คำว่า 'exciton' หมายถึงอิเล็กตรอนและโฮล 'กระโดดขึ้น' ไปสู่พลังงานที่สูงขึ้น "ระบบเย็นทั้งหมดอยู่ในสถานะ พลังงาน ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ดังนั้นจึงไม่มี excitons อยู่ แต่เราพบการตระหนักถึงสิ่งที่ดูเหมือนขัดแย้งกันตามที่ Nevill Mott คิดขึ้นเมื่อ 60 ปีก่อน นั่นคือระบบวัสดุที่ exciton สามารถก่อตัวและดำรงอยู่ในพื้นดินได้ สถานะ." การศึกษาแบบเปิดโดย Yakobson นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Sunny Gupta และนักวิทยาศาสตร์การวิจัย Alex Kutana จาก Rice's Brown School of Engineering ปรากฏในNature Communications หลังจากประเมินความเป็นไปได้หลายพันแบบ ทีมงานได้จำลองโครงสร้างสองชั้นสองชั้นอย่างแม่นยำ โดยชั้นของพวกมันถูกจัดแนวอย่างหลวมๆ โดยกองกำลัง van der Waals ที่อ่อนแอ และคำนวณว่าช่องว่างของแถบจะเรียงตัวกันอย่างไรเมื่อวางติดกัน (ช่องว่างของแถบกำหนดระยะทางที่อิเล็กตรอนต้องกระโดดเพื่อให้วัสดุมีคุณสมบัติเป็นเซมิคอนดักเตอร์ ตัวนำที่สมบูรณ์แบบ - โลหะหรือกึ่งโลหะ เช่น กราฟีน - ไม่มีช่องว่างของแถบ) ในท้ายที่สุด พวกเขาได้สร้างแผนภาพเฟสสำหรับแต่ละชุดค่าผสม ซึ่งเป็นแผนที่ที่ช่วยให้พวกเขาดูว่าชุดใดมีศักยภาพดีที่สุดสำหรับการศึกษาเชิงทดลอง Yakobson กล่าวว่า "ชุดค่าผสมที่ดีที่สุดจะแตกต่างจากการจับคู่พารามิเตอร์แบบแลตทิซ และที่สำคัญที่สุดคือตำแหน่งพิเศษของวงดนตรีอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างช่องว่างขาด หรือเรียกอีกอย่างว่าประเภท III" ยาคอบสันกล่าว สะดวก การผสมผสานที่แข็งแกร่งที่สุดอาจปรับได้โดยการใช้ความเค้นผ่านแรงดึง ความโค้ง หรือสนามไฟฟ้าภายนอก นักวิจัยเขียน นั่นอาจทำให้สามารถปรับสถานะเฟสของ excitons เพื่อรับคุณสมบัติ "ของไหลที่สมบูรณ์แบบ" ของคอนเดนเสท Bose-Einstein หรือคอนเดนเสท BCS ที่มีตัวนำยิ่งยวด "ในคอนเดนเสทควอนตัม อนุภาคโบโซนิกที่อุณหภูมิต่ำจะครอบครองสถานะพื้นควอนตัมโดยรวม" คุปตะกล่าว "นั่นสนับสนุนปรากฏการณ์ควอนตัมระดับมหภาคที่น่าทึ่งพอๆ กับความเป็นของเหลวยิ่งยวดและตัวนำยิ่งยวด" Kutana กล่าวเสริมว่า "สถานะของคอนเดนเสทนั้นน่าสนใจเพราะมีคุณสมบัติควอนตัมที่แปลกประหลาดและมีอยู่ในชีวิตประจำวัน สามารถเข้าถึงได้โดยไม่ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์ และต้องใช้อุณหภูมิต่ำเท่านั้น" "เนื่องจากพวกมันอยู่ในสถานะพลังงานต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และเนื่องจากธรรมชาติของควอนตัม คอนเดนเสทจึงไม่สามารถสูญเสียพลังงานและทำตัวเป็นของเหลวที่ไร้แรงเสียดทานได้อย่างสมบูรณ์แบบ "นักวิจัยกำลังมองหาที่จะตระหนักถึงพวกมันในระบบของแข็งและก๊าซต่างๆ" เขากล่าว "ระบบดังกล่าวหายากมาก ดังนั้นการมีวัสดุสองมิติอยู่ในนั้นจะช่วยขยายหน้าต่างของเราไปสู่โลกควอนตัมได้อย่างมาก และสร้างโอกาสในการใช้ในอุปกรณ์ใหม่ที่น่าทึ่ง" การผสมที่ดีที่สุดคือส่วนประกอบของชั้นสองโครงสร้างเฮเทอโรของแอนติโมนี-เทลลูเรียม-ซีลีเนียมกับบิสมัท-เทลลูเรียม-คลอรีน ฮาฟเนียม-ไนโตรเจน-ไอโอดีนกับเซอร์โคเนียม-ไนโตรเจน-คลอรีน และลิเธียม-อะลูมิเนียม-เทลลูเรียมกับบิสมัท-เทลลูเรียม-ไอโอดีน Yakobson กล่าวว่า "ยกเว้นการมีพารามิเตอร์ตาข่ายที่คล้ายกันในแต่ละคู่ องค์ประกอบทางเคมีดูเหมือนจะไม่ใช้งานง่าย "เราไม่เห็นวิธีที่จะคาดการณ์ถึงพฤติกรรมที่ต้องการได้หากปราศจากการวิเคราะห์เชิงปริมาณอย่างอุตสาหะ "เราไม่สามารถปฏิเสธโอกาสที่จะพบความบังเอิญได้ อย่างที่โรเบิร์ต เคิร์ลกล่าวไว้ เคมีเป็นเรื่องของความโชคดี แต่การกลั่นกรองผ่านส่วนผสมของวัสดุนับแสนชนิดนั้นไม่สมจริงในห้องปฏิบัติการใดๆ อย่างไรก็ตาม ตามทฤษฎีแล้ว สามารถทำได้"