Все новости

В пределах плоскости и вблизи абсолютного нуля. Физики построили модель плоских изоляторов

Группа американских ученых вместе со специалистом Новосибирского университета Татьяной Батуриной представила фундаментальное исследование двумерных изоляторов, без которых немыслима электроника на основе графена и других плоских материалов.
Понять суть и значение описанных в журнале Scientific Reports материалов легко, если вспомнить о графене, который принес Нобелевскую премию двум работавшим в Великобритании выпускникам МФТИ — Константину Новоселову и Андрею Гейму.

Графен — это плоский, в один атом толщиной, лист из атомов углерода. Долгое время физики и химики считали, что такой материал в принципе невозможен, потому что при застывании кристалла из расплава плоский лист должно неизбежно скручивать и деформировать. Однако в 2005 году ученые смогли получить графеновые чешуйки простым механическим отшелушиванием от обыкновенного графита. Можно сказать, что графен — это один слой графита, его атомная структура напоминает пчелиные соты.

Графит, схематическое изображение. Графит — это трехмерные кристаллы, а выделенные на рисунке плоскости, если их отделить от всего массива, и есть графен, кристалл плоский. Рисунок: diliara / Wikimedia


Изучение графена выявило множество свойств, которые заставили заговорить о нем как об основе микроэлектроники будущего и замене кремния. В графене намного выше подвижность электронов, он очень тонкий, прочный, и в нем наблюдается ряд необычных квантовых эффектов. По ряду оценок, графеновая электроника может быть быстрее кремниевой и вдобавок потреблять меньше энергии. Однако теория весьма сильно отстает от практики, поскольку одного лишь графена для создания работающих устройств недостаточно.

Любая электронная схема нуждается в изолирующих материалах, которые не дают электрическим зарядам уходить с намеченных маршрутов и которые позволяют создать такие важные устройства, как конденсаторы. Конденсаторы используются для хранения информации и входят в состав логических элементов: без них немыслимо любое вычислительное устройство, включая даже дешевый одноразовый чип в проездном билете на троллейбус. Для того чтобы эффективно использовать двумерный проводник, графен, технологам нужны двумерные же изоляторы и теоретическая модель, которая описывает их поведение. Создание микроэлектроники нового поколения невозможно без понимания того, насколько эффективны двумерные изоляторы, которые вдобавок порезали на маленькие кусочки и разместили на проводящей подложке или использовали в конденсаторе размером в считанные нанометры.

Конденсаторы — важнейший радиоэлектронный компонент. Так выглядят конденсаторы обычных, не микроскопических, размеров. Фото: 12739s / Wikimedia


Новое исследование было сфокусировано на диэлектрических, то есть изолирующих, свойствах двумерных диэлектриков в наномасштабе. Слово «наномасштаб» в данном случае не просто дань моде, поскольку физические свойства материалов начинают сильно изменяться при уменьшении размеров до величин, измеряемых в нанометрах, и ученые лишний раз в этом убедились. Они построили математическую модель, описывающую плоскую сеть из соединенных друг с другом конденсаторов, а затем рассчитали поведение в ней электрических зарядов. Это, в свою очередь, позволило вывести зависимости изолирующих свойств двумерного диэлектрика от температуры и описать поведение плоских изолирующих материалов при охлаждении.

Охлаждение до очень низких, всего несколько сотых долей градуса выше абсолютного нуля, температур интересовало ученых не случайно. Дело в том, что при таких низких температурах изолирующие материалы могут превращаться даже не в проводники, а сразу переходить в сверхпроводящее состояние. Этот эффект не имеет никакого значения при проектировании обычной электроники, однако он может играть критическую роль в квантовых компьютерах, и вдобавок, исследование этого эффекта позволяет лишний раз убедиться в полноте теоретических моделей диэлектриков. Иными словами, если у ученых получается хорошо описать поведение вещества в необычных условиях и тогда, когда его свойства радикально меняются, то уж с описанием того же вещества при нормальной температуре проблем не возникнет.

Эта довольно сильно устаревшая микросхема хранила всего 1 мегабит информации, задействуя миллион конденсаторов. В современных чипах счет идет уже на миллиарды, а графеновая электроника обещает быть еще более миниатюрной. Фото: ZeptoBars / Wikimedia


Исследование полученной учеными математической модели показало, что она непротиворечиво описывает поведение двумерного изолятора как при сверхнизких, так и при вполне обычных температурах. Полученные данные хорошо согласуются с экспериментами и, как пишут в своей статье физики, «подводят под наблюдаемые эффекты прочную (теоретическую) базу».

 Алексей Тимошенко