(Mehdi Ramezani/Swiss Nanoscience Institute/Universität Basel) Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, zwei spannende Materialarten miteinander zu kombinieren: ein ultradünnes Halbleiter nur ein einziges Atom dick; und ein Supraleiter , fähig, Strom ohne Widerstand zu leiten.
Beide Materialien haben ungewöhnliche und faszinierende Eigenschaften, und das Team, das hinter der Forschung steht, hofft, durch ihre Zusammensetzung in einem aufwendigen Laborherstellungsprozess alle möglichen neuen Anwendungen in der klassischen Physik und der Quantenphysik zu eröffnen.
Halbleiter sind der Schlüssel zu den elektrischen Geräten, die unser Leben dominieren, vom Fernseher bis zum Telefon. Was sie im Gegensatz zu normalen Metallen so nützlich macht, ist, dass ihre elektrische Leitfähigkeit (unter anderem durch Anlegen einer Spannung) angepasst werden kann, wodurch es einfach ist, einen Stromfluss ein- und auszuschalten.
Hier eine einzelne Schicht des Halbleiters Molybdändisulfid (MoS 2 ) wurde extrahiert und dem Herstellungsprozess hinzugefügt.
(Mehdi Ramezani/Swiss Nanoscience Institute/Universität Basel)
Dann haben wir Supraleiter, die bei einer bestimmten Temperatur (normalerweise einer extrem niedrigen Temperatur) elektrische Ladung mit perfekter Effizienz übertragen können, ohne dass Wärme verloren geht.
In diesem Aufbau wurde dem Gerät ein Supraleiter namens Molybdän-Rhenium (MoRe) hinzugefügt, und die Forscher erwarten, von ihren kombinierten Materialien völlig neue physikalische Phänomene zu beobachten.
„In einem Supraleiter ordnen sich die Elektronen zu Paaren an, wie Tanzpartner – mit seltsamen und wunderbaren Folgen, wie zum Beispiel, dass der elektrische Strom ohne Widerstand fließt.“ sagt der Physiker Andreas Baumgartner , von der Universität Basel in der Schweiz.
„Im Halbleiter Molybdändisulfid hingegen führen die Elektronen einen ganz anderen Tanz auf, einen seltsamen Solotanz, der auch ihre magnetischen Momente mit einbezieht.“ „Jetzt möchten wir herausfinden, auf welche neuen und exotischen Tänze sich die Elektronen einigen, wenn wir diese Materialien kombinieren.“
Ultradünne Halbleiter wie der hier verwendete sind derzeit ein heißes Forschungsthema für Forscher: Sie können zu völlig neuen synthetischen Materialien namens „gestapelt“ werden Van-der-Waals-Heterostrukturen .
Diese Strukturen haben viele potenziell innovative Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise die Möglichkeit, den Elektronenmagnetismus mit elektrischen Feldern zu steuern. Ein großer Teil dieses Potenzials ist jedoch noch theoretisch, da die Wissenschaftler einfach noch nicht wissen, welche Auswirkungen sie haben werden und welche Geräte sie möglicherweise herstellen können. Deshalb ist es so wichtig, dass es gelingt, diese neueste Kombination zu schaffen.
In diesem neuesten Aufbau fand das Team Hinweise auf eine starke Kopplung (Wechselwirkungen, die als bekannt sind). Proximity-Effekt ) zwischen der Halbleiterschicht und dem Supraleiter, als die Materialien auf knapp über den absoluten Nullpunkt (-273,15 °C oder -459,67 °F) abgekühlt wurden.
„Starke Kopplung ist ein Schlüsselelement in den neuen und aufregenden physikalischen Phänomenen, die wir in solchen Van-der-Waals-Heterostrukturen erwarten, aber nie nachweisen konnten.“ sagt der Physiker Mehdi Ramezani , von der Universität Basel.
Diese Halbleiter-Supraleiter-Verbindung zusammenzubauen ist nicht einfach – wie man erwarten würde, wenn man bedenkt, dass es noch niemand zuvor geschafft hat. Der Halbleiter wird in einem Sandwich mit Isolierschichten oben und unten angeordnet, während in die Oberseite der Isolierschicht geätzte Löcher für den elektrischen Kontaktzugang sorgen.
Das supraleitende Material füllt die durch die Löcher entstandenen Lücken und der Prozess wird in einer mit Stickstoff gefüllten Kammer abgeschlossen Handschuhfach um das fertige System vor Beschädigungen zu schützen. Ferngesteuert Mikromanipulatoren werden verwendet, um die Herstellung unter einem optischen Mikroskop abzuschließen.
Nachdem die Herstellung nun abgeschlossen ist, können die Tests und Experimente beginnen – und haben bereits begonnen, in Kühlschränken, die nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Darüber hinaus glauben die Forscher, dass sie die gleiche Technik in Zukunft auch für andere Halbleiter nutzen können, um ihr Potenzial weiter zu erweitern.
„Unsere Messungen zeigen, dass diese hybriden Monoschicht-Halbleiterbauelemente tatsächlich möglich sind – vielleicht sogar mit anderen, exotischeren Kontaktmaterialien, die den Weg für weitere Erkenntnisse ebnen würden“, sagt Baumgartner .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Nano-Buchstaben .