دست‌یابی به چگالیده‌ی اکسیتونی بدون استفاده از میدان مغناطیسی
آزمایش ها نشان داده اند که چگالشی پایدار از جفت های الکترون-حفره را می توان بدون اعمال یک میدان مغناطیسی بزرگ بدست آورد؛ چیزی که کاربردهای آتی پدیده های جفت شدگی غیرعادی را تسهیل می سازد.
در یک نیم رسانا الکترون می تواند به یک حفره (حالت الکترونی خالی با یک بار مثبت) بپیوندد و یک ذره ی مرکبی را موسوم به اکسیتون تشکیل دهد. اکسیتون ها برخلاف الکترون ها و حفره ها بوزون هستند. بنابراین قادرند در دماهای به حد کافی کم به یک حالت کوانتومیِ جمعی چگالیده شده و پدیده های انتقالیِ قابل توجهی را پشتیبانی کنند [۱,۲] درست مثل شارش بدون مقاومت جریان در نیم رساناها. چگالش هایی که به لحاظ ترمودینامیکی پایدار هستند (چگالش هایی که به مقدار انرژی ورودی ثابتی نیاز ندارند) در ساختارهای چندلایه ایِ معینی تولید شده اند، اما اینکار به یک میدان مغناطیسی بزرگ نیاز دارد که با آهنرباهای ابررسانای گران قیمت تولید می شوند. اکنون تیمی که توسط ایمانوئل تاتوک ( Emanuel Tutuc ) از دانشگاه تگزاس در آستین رهبری می شود، شواهد قدرتمندی را بر چگالش اکسیتونی پایدارِ مشابه در یک ستاپ عاری از میدان مغناطیسی گزارش داده اند [۳] . قطعه ی آن ها از یک جفت گرافن دولایه ای (دو ورقه از گرافن) تشکیل شده که با یک سد عایق از هم جدا شده اند. این مطالعه ی طولانی مدت در مورد چگالیده ی اکسیتونی بدون میدان مغناطیسی، خواهد توانست تا حد زیادی مطالعات این اثر بس ذره ای را ساده کرده و بعلاوه به استفاده از آن در قطعات الکترونی نایاب تسریع بخشد.
ایجاد چگالیده ای که به لحاظ ترمودینامیکی پایدار باشد نیازمند تعداد زیادی اکسیتون است که باهم سریعا ترکیب نشده و نور تولید نکنند. سیستم های موسوم به دولایه ای برای دست یابی به این حالت امیدوارکننده اند. این قطعات شامل دو لایه ی نازک از مواد نیم رسانا یا نیم فلزاند که با لایه ی عایقی از هم جدا شده اند. ولتاژ های اعمالی به گیت های بالایی و پایینیِ این قطعه الکترون های اضافی را در یک لایه ی و حفره های اضافی را در لایه ی دیگر ایجاد می کند. اندرکنش کولنی مابین الکترون ها و حفره ها در این سیستم های دولایه ای به اندازه ی کافی قوی هست تا حالات همبسته ای را ایجاد کند؛ درحالی که سدی که مابین دولایه قرار دارد، به چگالی بار در دولایه این امکان را می دهد تا مستقلاً قابل کنترل باشند.
در این سیستم ها، چگالیده ای از اکسیتون ها تشکیل شوند به شرط آن که همبستگی های الکترون-حفره به قدر کافی قوی باشند. اما به این منظور شرایط چالش برانگیز فنی بروز می کنند: لایه ها نسبتاً باید از ناخالصی ها و نقص های مخرب عاری باشند؛ چگالی الکترون ها و حفره ها در دولایه یکسان باشند؛ و فاصله ی بین الکترون ها و حفره ها در لایه های مختلف به اندازه ی کافی در مقایسه ی با فاصله ی الکترون ها (یا حفره ها) در یک لایه کوتاه باشد. این شرط آخر تضمین می کند که همبستگی مابین الکترون ها و حفره ها بر اندرکنش الکترون-الکترون غالب شود. تاکنون پژوهش گران در دست یابی به این شرایط و تولید یک چگالیده با استفاده از میدان مغناطیسی قوی، به منظور راندن الکترون ها و حفره ها به یک حالت هال کوانتومی، موفق بوده اند [۲] . سطوح لاندو در رژیم هال کوانتومی، چگالی بالای الکترونی دارند که تشکیل حالات اکسیتونی را تسهیل می کنند. این موضوع به نوبه ی خود استفاده از سد تونلی نسبتاً پهن را مهیا کرده و ساخت این قطعه و کنترل چگالی های نسبی لایه ها را آسان می سازد.
در پژوهش های قبلی که با قطعات دولایه ای هال کوانتومی انجام یافته اند، شواهدی که بر وجود چگالیده صحه گذاشته، بر مشاهدات دو ویژگیِ پیش بینی شده [۲,۴-۸] متکی بوده است. اولین شاهد از گرادیانِ پارامترِ مرتبه ی فازِ چگالیده نشات می گیرد که جریان را تولید می کند. اما چون این جریان با شارش آن الکترون هایی (در یک لایه) متناظر است که جهت یکسانی با حفره ها (در لایه ی دیگر) دارند، معادل است با جریان الکترونی در خلاف جهت هم دولایه؛ پدیده ای که به ضدجریان اتلافی ( dissipationless counterflow ) معروف است. ویژگی تجربی دوم از این حقیقت سرچشمه می گیرد که اکسیتون ها می توانند بدون تغییر انرژی شان به چگالیده افزوده شوند، چون تمامی اکسیتون ها در حالت پایه قرار دارند. بنابراین اگر یک ولتاژ بایاس کوچک بین دولایه ایجاد شود، رسانایی الکترون هایی که از سد تونل زنی می کنند در مقایسه با زمانی که الکترون ها و حفره ها همبسته نیستند، بسیار بهبود می یابد [۲,۵,۶] . این پدیده (شکل ۱) مشابه شارش یک ابرجریان در طول یک سد و مابین دو ناحیه ی ابررساناست (اثر جوزفسون).
شکل ۱) اثر جوزفسون وقتی رخ می
دهد که دو ناحیه
ی ابررسانا با یک سد عایق نازک (شکل بالایی) از هم جدا می
شوند. اگر یک جفت الکترون از یک ناحیه حذف شده و به ناحیه دیگر افزوده شود، این دو ناحیه
ی ابررسانا در حالات پایه
ی خود باقی مانده و اجازه شارش یک ابرجریان از سد را ممکن می
سازد. (اندازه
ی این ابرجریان به اختلاف بین مراتب فازهای پارامتری وابسته است که دو ابررسانا را توصیف می
کند.) رفتارهای مشابهی در چگالیده
های اکسیتونی که در یک قطعه
ی دولایه
ای رخ می
دهد (تصویر پایین): اضافه کردن یک اکسیتون به چگالیده انرژی سیستم را تغییر نمی
دهد و معادل است با افزودن یک الکترون به لایه
ی بالایی و حذف آن از لایه
ی پایینی بدون اعمال ولتاژ. در اصل، این اثرمی
تواند به ابرجریانی مابین لایه
ها منتهی شود. (اینجا، ابرجریان به مرتبه
ی فاز پارامتر چگالیده
ی اکسیتونی نسبت به فازی موسوم به دامنه
ی تونل
زنی بین
لایه
ای بستگی دارد.) اما در سیستم
هایی شامل فرآیند
های اتلافی، ویژگی مشاهده
شده یک ابرجریان نیست بلکه یک رسانایی تونل
زنی است که تا حد زیادی ارتقاء یافته است
[۵,۶]
؛ چیزی که تاتوک و همکارانش در آزمایش
شان آشکارسازی کرده
اند
[۳]
.
تاتوک و همکارانش یکی از این ردپاهای تجربی (تونل زنی شبه-جوزفسون [۳] ) را در سیستم گرافن دولایه اشان مشاهده کرده اند. این قطعه از دو ورقه ی گرافن دولایه ای ساخته شده که با دولایه ی اتمی از دی سلنید تنگستنِ عایق از هم جدا شده اند. این محققان از گیت های ولتاژ در هر طرف دولایه ای های گرافنی استفاده کرده اند تا چگالی الکترون ها و حفره ها را کنترل کنند. یه یُمن پیشرفت هایی که در این زمینه حاصل شده، آن ها موفق شده اند تا به پنجره ای از چگالی های متناظر با شرایط یک چگالیده ی اکسیتونی دست یابند. این پیشرفت ها شامل بهبود طراحی سد تونل زنی، آماده سازی یک زیرلایه ی صاف در ابعاد اتمی برای پشتیبانی از گرافن و روش هم سوسازیِ دولایه ای های گرافنی بوده است. آن ها در داخل این پنجره ی چگالی و در دمای پایین ۵/۱ کلوین، رسانایی تونل زنی مابین لایه ها در ولتاژ بایاس کوچک را مشاهده کرده اند که چندین مرتبه از مقدار پیش بینی شده برای الکترون ها و حفره های غیرهمبسته بزرگ تر است. در حقیقت، بهبود رسانایی تونل زنی به شدت رشد می کند و از حد آشکارسازها فراتر می رود. این تیم در یک آزمایش جداگانه، میدان مغناطیسی در -صفحه ای ( in-plane ) را اعمال کرده و ثابت کرده اند که رسانایی تونل زنی با شدت میدان تغییر می کند؛ مشابه آن چه در چگالیده های اکسیتونی هال کوانتومی مشاهده شده است.
افزایش تونل زنی بزرگی که توسط توتاک و همکارانش مشاهده شده با ظهور چگالیده ای از اکسیتون ها سازگاری دارد. اما این محققان مثل مورد قطعات هال کوانتومی، انتظار دارند دیگرِ مشاهدات تجربی همچون ضدجریان اتلافی بر این مطلب صحه گذارد. اندازه گیری ضدجریان ممکن است به ترکیب بندی قطعه ی دیگری نسبت به آن چه تاتوک و همکارانش در اینجا استفاده کرده اند نیاز داشته باشد.
در زمان هیجان انگیزی در مورد پژوهش چگالیده ی اکسیتون قرار داریم. علاوه بر این کار جدید، فرآیند تجربی عمومی برای مشاهده ی چگالیده در چاه های کوانتومی نیم رسانا [۹] و در گرافن دولایه ایِ دوگانه در رژیم هال کوانتومی [۱۰] وجود داشته است. اندرکنش های کولنی مابین الکترون ها و حفره ها در سیستم های دولایه ای بسیار قوی است و ممکن است که این ویژگی به ایجاد چگالیده هایی در دماهای بسیار بالاتر منجر شود. این سیستم ها می تواند پایه و اساس مطالعه اثرات توپولوژیکیِ باشد که گمان می رود در چگالیده های اکسیتونی وجود داشته باشد [۱۱] ، مثل پدیده ی انتقال که به حالات محدودِ حفاظت شده ی توپولوژیکی در لبه ی قطعه مربوط است. اکنون امکان این وجود دارد تا یک چگالیده ی اکسیتونی پایدار بدون میدان مغناطیسی تولید شود [۳] که باعث می شود ساخت قطعات الکترونیکی که بر این اثر اتکا دارند آسان تر شود. برای مثال رسانایی تونل زنی شبه-جوزفسون به دما، ولتاژ گیت و میدان مغناطیسی حساس است و بنابراین می توان از این حساسیت ها در ساخت آشکارسازها استفاده کرد.
این پژوهش در مجله ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.
مراجع:
- L. V. Keldysh and Yu. V. Kopaev, “Possible Instability of Semimetallic State Toward Coulomb Interaction,” Fiz. Tverd. Tela ۶ , ۲۷۹۱ (۱۹۶۴), [Sov. Phys. Solid State ۶, ۲۲۱۹ (۱۹۶۵)]; Yu. E. Lozovik and V. I. Yudson, “Feasibility of Superfluidity Of Paired Spatially Separated Electrons and Holes; A New Superconductivity Mechanism,” Pis’ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. ۲۲ , ۵۵۶ (۱۹۷۵), [JETP Lett. ۲۲, ۲۷۴ (۱۹۷۵)].
- I. B. Spielman, J. P. Eisenstein, L. N. Pfeiffer, and K. W. West, “Resonantly Enhanced Tunneling in a Double Layer Quantum Hall Ferromagnet,” Phys. Rev. Lett. ۸۴, ۵۸۰۸ (۲۰۰۰) ; J. P. Eisenstein and A. H. MacDonald, “Bose–Einstein Condensation of Excitons in Bilayer Electron Systems,” Nature ۴۳۲, ۶۹۱ (۲۰۰۴) .
- G. W. Burg, N. Prasad, K. Kim, T. Taniguchi, K. Watanabe, A. H. MacDonald, L. F. Register, and E. Tutuc, “Strongly Enhanced Tunneling at Total Charge Neutrality in Double-Bilayer Graphene- WSe ۲ WSe۲ Heterostructures,” Phys. Rev. Lett. ۱۲۰, ۱۷۷۷۰۲ (۲۰۱۸) .
- X. G. Wen and A. Zee, “Tunneling in Double-Layered Quantum Hall Systems,” Phys. Rev. B ۴۷, ۲۲۶۵ (۱۹۹۳) .
- A. Stern, S. M. Girvin, A. H. MacDonald, and N. Ma, “Theory of Interlayer Tunneling in Bilayer Quantum Hall Ferromagnets,” Phys. Rev. Lett. ۸۶, ۱۸۲۹ (۲۰۰۱) .
- T. Hyart and B. Rosenow, “Quantitative Description of Josephson-Like Tunneling in ν T = ۱