Создан новый квантовый переключатель для электроники

Работа опубликована в журнале Physical Review B при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Трендом развития электроники сегодня стала миниатюризация устройств и расширение их функционала. Это создает спрос на новые наноэлементы, которые будут обладать улучшенными свойствами при маленьком размере. В основе работы таких электронных приборов лежат квантовые эффекты. Электроны проявляют и свойства частиц, и свойства волн, из-за чего возникают явления переноса заряда, которые очень чувствительны к внешним воздействиям, в частности к электрическим и магнитным полям.

Особый интерес представляют квантовые точечные контакты — ширина контакта настолько мала, что в ней укладывается лишь несколько длин волн электронов — это сопоставимо с размером атома, то есть порядка нескольких ангстрем. Экспериментально такие контакты можно получить, если соединить два массивных электрода слоем двумерного электронного газа (то есть такого, где частицы могут двигаться свободно только в двух направлениях), а затем подвести пластины затвора, на который далее подается потенциал. Чем больше поданное напряжение, тем больше запрещенная для движения электронов область и уже контакт.

Авторы статьи теоретически исследовали два проводника, соединенные квантовым контактом, к которому приложены внешние осциллирующие поля. Начальные концентрации носителей заряда в проводниках предполагались различными. При небольшой частоте осцилляций через контакт течет ток, стремящийся выровнять концентрации.

Однако, как выяснили ученые, для определенного типа контактов при частотах выше критической ток обнуляется, и концентрации никогда не выравниваются. Это проявление неравновесного фазового перехода — динамического явления, при котором свойства системы качественно различны по разные стороны от критического значения внешнего параметра (в данном случае — частоты осцилляций).

«Для того чтобы оценить необычность этого эффекта, можно провести такую аналогию. Представим себе два сосуда с водой, днища которых соединены трубкой. Если уровень воды в сосудах изначально разный, через трубку будет течь вода до тех пор, пока уровни не выровняются. Теперь представим, что мы начинаем трясти трубку и, если частота тряски превышает критическую, вода перестает течь, и разница уровней в сосуде остается не выровненной.

С водой такого на самом деле не произойдет, но зато именно это происходит с электронами, текущими через квантовый контакт, который “трясут” внешние электрические и магнитные поля», — объясняет Олег Лычковский, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Сколковского института науки и технологий, Московского физико-технического института и Математического института имени В. А. Стеклова РАН.

Опубликованная работа может лечь в основу создания новых электронных наноэлементов, чей маленький размер предопределяет широкий диапазон их возможных применений в технике. Электронные устройства и системы, работа которых основана на квантовых эффектах, являются актуальной областью разработок — объем российского рынка наноэлектроники и фотоники к 2027 году может вырасти до 20 миллиардов рублей.

Сколтех

427 статей

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.

Показать больше