آزمایش‌ها نشان داده‌اند که چگالشی پایدار از جفت‌های الکترون-حفره را می‌توان بدون اعمال یک میدان مغناطیسی بزرگ بدست آورد؛ چیزی که کاربردهای آتی پدیده‌های جفت‌شدگی غیرعادی را تسهیل می‌سازد.

در یک نیم‌رسانا الکترون می‌تواند به یک حفره (حالت الکترونی خالی با یک بار مثبت) بپیوندد و یک ذره‌ی مرکبی را موسوم به اکسیتون تشکیل دهد. اکسیتون‌ها برخلاف الکترون‌ها و حفره‌ها بوزون هستند. بنابراین قادرند در دماهای به حد کافی کم به یک حالت کوانتومیِ جمعی چگالیده شده و پدیده‌های انتقالیِ قابل‌توجهی را پشتیبانی کنند [1,2] درست مثل شارش بدون مقاومت جریان در نیم‌رساناها. چگالش‌هایی که به لحاظ ترمودینامیکی پایدار هستند (چگالش‌هایی که به مقدار انرژی ورودی ثابتی نیاز ندارند) در ساختارهای چندلایه‌ایِ معینی تولید شده‌اند، اما اینکار به یک میدان مغناطیسی بزرگ نیاز دارد که با آهنرباهای ابررسانای گران‌قیمت تولید می‌شوند. اکنون تیمی که توسط ایمانوئل تاتوک (Emanuel Tutuc) از دانشگاه تگزاس در آستین رهبری می‌شود، شواهد قدرتمندی را بر چگالش اکسیتونی پایدارِ مشابه در یک ستاپ عاری از میدان مغناطیسی گزارش داده‌اند [3]. قطعه‌ی آن‌ها از یک جفت گرافن دولایه‌ای (دو ورقه از گرافن) تشکیل شده که با یک سد عایق از هم جدا شده‌اند. این مطالعه ی طولانی مدت در مورد چگالیده‌ی اکسیتونی بدون میدان مغناطیسی، خواهد توانست تا حد زیادی مطالعات این اثر بس‌ذره‌ای را ساده کرده و بعلاوه به استفاده از آن در قطعات الکترونی نایاب تسریع بخشد.

ایجاد چگالیده‌ای که به لحاظ ترمودینامیکی پایدار باشد نیازمند تعداد زیادی اکسیتون است که باهم سریعا ترکیب نشده و نور تولید نکنند. سیستم‌های موسوم به دولایه‌ای برای دست‌یابی به این حالت امیدوارکننده‌اند. این قطعات شامل دو لایه‌ی نازک از مواد نیم‌رسانا یا نیم‌فلزاند که با لایه‌ی عایقی از هم جدا شده‌اند. ولتاژ‌های اعمالی به گیت‌های بالایی و پایینیِ این قطعه الکترون‌های اضافی را در یک لایه‌ی و حفره‌های اضافی را در لایه‌ی دیگر ایجاد می‌کند. اندرکنش کولنی مابین الکترون‌ها و حفره‌ها در این سیستم‌های دولایه‌ای به اندازه‌ی کافی قوی هست تا حالات همبسته‌ای را ایجاد کند؛ درحالی‌که سدی که مابین دولایه قرار دارد، به چگالی بار در دولایه این امکان را می‌دهد تا مستقلاً قابل کنترل باشند.

در این سیستم‌ها، چگالیده‌ای از اکسیتون‌ها تشکیل شوند به شرط آن‌که همبستگی‌های الکترون-حفره به قدر کافی قوی باشند. اما به این منظور شرایط چالش‌برانگیز فنی بروز می‌کنند: لایه‌ها نسبتاً باید از ناخالصی‌ها و نقص‌های مخرب عاری باشند؛ چگالی الکترون‌ها و حفره‌ها در دولایه یکسان باشند؛ و فاصله‌ی بین الکترون‌ها و حفره‌ها در لایه‌های مختلف به اندازه‌ی کافی در مقایسه‌ی با فاصله‌ی الکترون‌ها (یا حفره‌ها) در یک لایه کوتاه باشد. این شرط آخر تضمین می‌کند که همبستگی مابین الکترون‌ها و حفره‌ها بر اندرکنش الکترون-الکترون غالب شود. تاکنون پژوهش‌گران در دست‌یابی به این شرایط و تولید یک چگالیده با استفاده از میدان مغناطیسی قوی، به منظور راندن الکترون‌ها و حفره‌ها به یک حالت هال کوانتومی، موفق بوده‌اند [2]. سطوح لاندو در رژیم هال کوانتومی، چگالی بالای الکترونی دارند که تشکیل حالات اکسیتونی را تسهیل می‌کنند. این موضوع به نوبه‌ی خود استفاده از سد تونلی نسبتاً پهن را مهیا کرده و ساخت این قطعه و کنترل چگالی‌های نسبی لایه‌ها را آسان می‌سازد.

در پژوهش‌های قبلی که با قطعات دولایه‌ای‌ هال کوانتومی انجام یافته‌اند، شواهدی که بر وجود چگالیده صحه گذاشته، بر مشاهدات دو ویژگیِ پیش‌بینی شده [2,4-8] متکی بوده است. اولین شاهد از گرادیانِ پارامترِ مرتبه‌ی فازِ چگالیده نشات می‌گیرد که جریان را تولید می‌کند. اما چون این جریان با شارش آن الکترون‌هایی (در یک لایه) متناظر است که جهت یکسانی با حفره‌ها (در لایه‌ی دیگر) دارند، معادل است با جریان الکترونی در خلاف جهت هم دولایه؛ پدیده‌ای که به ضدجریان اتلافی (dissipationless counterflow) معروف است. ویژگی تجربی دوم از این حقیقت سرچشمه می‌گیرد که اکسیتون‌ها می‌توانند بدون تغییر انرژی‌شان به چگالیده افزوده شوند، چون تمامی اکسیتون‌ها در حالت پایه قرار دارند. بنابراین اگر یک ولتاژ بایاس کوچک بین دولایه ایجاد شود، رسانایی الکترون‌هایی که از سد تونل زنی می‌کنند در مقایسه با زمانی که الکترون‌ها و حفره‌ها همبسته نیستند، بسیار بهبود می‌یابد [2,5,6]. این پدیده (شکل ۱) مشابه شارش یک ابرجریان در طول یک سد و مابین دو ناحیه‌ی ابررساناست (اثر جوزفسون).

شکل 1) اثر جوزفسون وقتی رخ می‌دهد که دو ناحیه‌ی ابررسانا با یک سد عایق نازک (شکل بالایی) از هم جدا می‌شوند. اگر یک جفت الکترون از یک ناحیه حذف شده و به ناحیه دیگر افزوده شود، این دو ناحیه‌ی ابررسانا در حالات پایه‌ی خود باقی مانده و اجازه شارش یک ابرجریان از سد را ممکن می‌سازد. (اندازه‌ی این ابرجریان به اختلاف بین مراتب فازهای پارامتری وابسته است که دو ابررسانا را توصیف می‌کند.) رفتارهای مشابهی در چگالیده‌های اکسیتونی که در یک قطعه‌ی دولایه‌ای رخ می‌دهد (تصویر پایین): اضافه کردن یک اکسیتون به چگالیده انرژی سیستم را تغییر نمی‌دهد و معادل است با افزودن یک الکترون به لایه‌ی بالایی و حذف آن از لایه‌ی پایینی بدون اعمال ولتاژ. در اصل، این اثرمی‌تواند به ابرجریانی مابین لایه‌ها منتهی شود. (اینجا، ابرجریان به مرتبه‌ی فاز پارامتر چگالیده‌ی اکسیتونی نسبت به فازی موسوم به دامنه‌ی تونل‌زنی بین‌لایه‌ای بستگی دارد.) اما در سیستم‌هایی شامل فرآیند‌های اتلافی، ویژگی مشاهده‌شده یک ابرجریان نیست بلکه یک رسانایی تونل‌زنی است که تا حد زیادی ارتقاء یافته است [5,6]؛ چیزی که تاتوک و همکارانش در آزمایش‌شان آشکارسازی کرده‌اند [3].

تاتوک و همکارانش یکی از این ردپاهای تجربی (تونل‌زنی شبه-جوزفسون [3]) را در سیستم گرافن دولایه‌اشان مشاهده کرده‌اند. این قطعه از دو ورقه‌ی گرافن دولایه‌ای ساخته شده که با دولایه‌ی اتمی از دی‌سلنید تنگستنِ عایق از هم جدا شده‌اند. این محققان از گیت‌های ولتاژ در هر طرف دولایه‌ای‌های گرافنی استفاده کرده‌اند تا چگالی الکترون‌ها و حفره‌ها را کنترل کنند. یه یُمن پیشرفت‌هایی که در این زمینه حاصل شده، آن‌ها موفق شده‌اند تا به پنجره‌ای از چگالی‌های متناظر با شرایط یک چگالیده‌ی اکسیتونی دست یابند. این پیشرفت‌ها شامل بهبود طراحی سد تونل‌زنی، آماده‌سازی یک زیرلایه‌ی صاف در ابعاد اتمی برای پشتیبانی از گرافن و روش هم‌سوسازیِ دولایه‌ای‌های گرافنی بوده است. آن‌ها در داخل این پنجره‌ی چگالی و در دمای پایین ۵/۱ کلوین، رسانایی تونل‌زنی مابین لایه‌ها در ولتاژ بایاس کوچک را مشاهده کرده‌اند که چندین مرتبه از مقدار پیش‌بینی‌شده برای الکترون‌ها و حفره‌های غیرهمبسته بزرگ‌تر است. در حقیقت، بهبود رسانایی تونل‌زنی به شدت رشد می‌کند و از حد آشکارسازها فراتر می‌رود. این تیم در یک آزمایش جداگانه، میدان مغناطیسی در‌-صفحه‌ای (in-plane) را اعمال کرده و ثابت کرده‌اند که رسانایی تونل‌زنی با شدت میدان تغییر می‌کند؛ مشابه آن‌چه در چگالیده‌های اکسیتونی هال کوانتومی مشاهده شده است.

افزایش تونل‌زنی بزرگی که توسط توتاک و همکارانش مشاهده شده با ظهور چگالیده‌ای از اکسیتون‌ها سازگاری دارد. اما این محققان مثل مورد قطعات هال کوانتومی، انتظار دارند دیگرِ مشاهدات تجربی همچون ضدجریان اتلافی بر این مطلب صحه گذارد. اندازه‌گیری ضدجریان ممکن است به ترکیب‌بندی قطعه‌ی دیگری نسبت به آن‌چه تاتوک و همکارانش در اینجا استفاده کرده‌اند نیاز داشته باشد.

در زمان‌ هیجان‌انگیزی در مورد پژوهش چگالیده‌ی اکسیتون قرار داریم. علاوه بر این کار جدید، فرآیند تجربی عمومی برای مشاهده‌ی چگالیده در چاه‌های کوانتومی نیم‌رسانا [9] و در گرافن دولایه‌ایِ دوگانه در رژیم هال کوانتومی [10] وجود داشته است. اندرکنش‌های کولنی مابین الکترون‌ها و حفره‌ها در سیستم‌های دولایه‌ای بسیار قوی است و ممکن است که این ویژگی به ایجاد چگالیده‌هایی در دماهای بسیار بالاتر منجر شود. این سیستم‌‌ها می‌تواند پایه و اساس مطالعه اثرات توپولوژیکیِ باشد که گمان می‌رود در چگالیده‌های اکسیتونی وجود داشته باشد [11]، مثل پدیده‌ی انتقال که به حالات محدودِ حفاظت‌شده‌ی توپولوژیکی در لبه‌ی قطعه مربوط است. اکنون امکان این وجود دارد تا یک چگالیده‌ی اکسیتونی پایدار بدون میدان مغناطیسی تولید شود [3] که باعث می‌شود ساخت قطعات الکترونیکی که بر این اثر اتکا دارند آسان‌تر شود. برای مثال رسانایی تونل‌زنی شبه-جوزفسون به دما، ولتاژ گیت و میدان مغناطیسی حساس است و بنابراین می‌توان از این حساسیت‌ها در ساخت آشکارسازها استفاده کرد.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.

مراجع:

1. L. V. Keldysh and Yu. V. Kopaev, “Possible Instability of Semimetallic State Toward Coulomb Interaction,” Fiz. Tverd. Tela 6, 2791 (1964), [Sov. Phys. Solid State 6, 2219 (1965)]; 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. 22, 556 (1975), [JETP Lett. 22, 274 (1975)].
2. 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. 84, 5808 (2000); J. P. Eisenstein and A. H. MacDonald, “Bose–Einstein Condensation of Excitons in Bilayer Electron Systems,” Nature 432, 691 (2004).
3. 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-WSe2WSe2 Heterostructures,” Phys. Rev. Lett. 120, 177702 (2018).
4. X. G. Wen and A. Zee, “Tunneling in Double-Layered Quantum Hall Systems,” Phys. Rev. B 47, 2265 (1993).
5. A. Stern, S. M. Girvin, A. H. MacDonald, and N. Ma, “Theory of Interlayer Tunneling in Bilayer Quantum Hall Ferromagnets,” Phys. Rev. Lett. 86, 1829 (2001).
6. T. Hyart and B. Rosenow, “Quantitative Description of Josephson-Like Tunneling in νT=1𝜈T=1 Quantum Hall Bilayers,” Phys. Rev. B 83, 155315 (2011).
7. A. D. K. Finck, J. P. Eisenstein, L. N. Pfeiffer, and K. W. West, “Exciton Transport and Andreev Reflection in a Bilayer Quantum Hall System,” Phys. Rev. Lett. 106, 236807 (2011).
8. X. Huang, W. Dietsche, M. Hauser, and K. von Klitzing, “Coupling of Josephson Currents in Quantum Hall Bilayers,” Phys. Rev. Lett. 109, 156802 (2012).
9. L. Du, X. Li, W. Lou, G. Sullivan, K. Chang, J. Kono, and R.-R. Du, “Evidence for a Topological Excitonic Insulator in InAs/GaSb Bilayers,” Nat. Commun. 8, 1971 (2017).
10. J. I. A. Li, T. Taniguchi, K. Watanabe, J. Hone, and C. R. Dean, “Excitonic Superfluid Phase in Double Bilayer Graphene,” Nat. Phys. 13, 751 (2017); X. Liu, K. Watanabe, T. Taniguchi, B. I. Halperin, and P. Kim, “Quantum Hall Drag of Exciton Condensate in Graphene,” Nat. Phys. 13, 746 (2017).
11. D. I. Pikulin, P. G. Silvestrov, and T. Hyart, “Confinement-Deconfinement Transition Due to Spontaneous Symmetry Breaking in Quantum Hall Bilayers,” Nat. Commun. 7, 10462 (2016).

‌

درباره‌ی نویسنده:

تیمو هیات (Timo Hyart) رهبر تیمی در مرکز بین‌المللی اتصال مغناطیس و ابررسانایی با ماده‌ی توپولوژیکی در شهر ورشو است. وی مدرک پی‌اچ‌دی خود را در فیزیک نظری از دانشگاه اولو و در سال ۲۰۰۹ اخذ کرده است. پژوهش هیات بر نظریه‌ی چگالیده‌های اکسیتونی، ابررساناها، مغناطیس، مواد توپولوژیکی و محاسبات کوانتومی توپولوژیکی متمرکز است.

منبع: