Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Еще раз повторим, что как только размеры используемых структур становятся меньше характерной длины фазовой когерентности, физическая картина изменяется и протекающие через вещество электроны начинают проявлять квантовые, волновые свойства, характеризующиеся интерференцией, туннелированием через энергетический барьер, квантованием энергии и импульса и т. п. Свойства таких систем еще требуют изучения, систематизации и классификации. Например, известный физик Рольф Ландауэр из фирмы IBM сумел в очень элегантной теоретической работе показать, что уравнения, описывающие характеристики одномерного проводника (типа нанопроволоки), почти совпадают с теми, которые используются для описания давно применяемых в физике электромагнитных волноводов. Напомним, что такие волноводы обладают несколькими «режимами» работы, проводимость которых ограничена значением фундаментальной константы 2e2/h.

Квантование проводимости вещества было впервые экспериментально доказано в работах конца 80-х годов, осуществленных в лабораториях университетов Кембриджа и Дельфт (Голландия) на специально изготовленных полевых транзисторах при очень низких температурах. Характерной особенностью этих транзисторов был так называемый «расщепленный» затвор, создающий одномерное устройство с полевым эффектом. Позднее выяснилось, что квантование проводимости в разной форме проявляется во многих явлениях переноса и в самых разных системах (общие флуктуации проводимости, шумы, квантовый эффект Холла и т. п.). На основе аналогии этих явлений с уже известными эффектами (в поведении пассивных микроволновых структур) было предложено много схем и устройств, использующих новые явления. Из них стоит отметить так называемые «направленные» элементы связи (ответвления) и вычислительные квантовые устройства на связанных волноводах. Интересные результаты были получены исследователями из Лундского университета (Швеция), изучавшими так называемые разветвленные структуры с баллистическим механизмом переноса электронов (баллистическая мода переноса наблюдается в полупроводниках при очень малой толщине проводящего материала и характеризуется отсутствием электрического сопротивления). В этих работах была доказана возможность создания устройств нового типа (нелинейных переключателей, простейших логических устройств), работающих на квантовых эффектах даже при комнатной температуре.

Выше уже отмечалось, что квантовые эффекты не позволяют просто уменьшать размеры уже существующих полевых МОП-транзисторов. По этой же причине завершаются неудачей многие попытки создать квантовые когерентные устройства, исходя из их аналогии с волноводами. Исследователям никак не удается обеспечить точную работу таких волноводов из-за квантовых флуктуаций, связанных как с наличием случайных атомов примесей в материале, так и из-за сложности регулирования процессов и размеров в наномасштабе вообще. Со временем эти недостатки будут преодолены, однако следует помнить, что фундаментальными ограничениями для наноустройств этого типа останутся характерная длина когерентности и время существования квантовых состояний с фазовой когерентностью. Это заставляет еще раз задуматься о новых материалах для электронной промышленности, поскольку эти характерные величины имеют очень малые значения для кремния при комнатной температуре.

В последние годы ученые все чаще пытаются использовать для создания наноустройств еще одну чисто квантовую характеристику электронов или любых других заряженных частиц. Речь идет о «спине», под которым физики подразумевают внутренний (иногда его называют собственным) магнитный момент, присущий всем элементарным частицам, обладающим электрическим зарядом. Наличие спина обнаруживается при взаимодействии частиц с полем и проявляется в том, что спин в электромагнитных полях может иметь лишь два направления или ориентации, которые условно можно назвать спин-вверх и спин-вниз. Этому квантово-механическому свойству вещества за весь XX век не удалось подобрать удачного классического аналога или объяснения, а его название (оно происходит от английского слова spin, означающего вращение) связано с тем, что магнитный момент заряженной частицы обычно объясняют ее вращением вокруг собственной оси.

Существование двух спиновых состояний у элементов любой системы позволяет использовать множество материалов для создания запоминающих устройств, в качестве примера можно упомянуть выпуск магнитных запоминающих устройств на основе ферромагнетиков (объем производства в этой области давно превышает десятки миллиардов долларов!). В реальной жизни все такие запоминающие устройства устроены очень просто и работают на основе записи или считывания информации в двоичной системе, когда одна ориентация спина соответствует цифре 1, а другая – цифре 0. При переходе к нанотехнологиям исследователи могут не только продолжить традицию записи информации в двоичном коде, но даже воспользоваться совершенно новым, квантовым принципом записи информации. Прототипом вычислительных элементов, построенных на принципах квантовой механики, могут стать так называемые «кубиты», под которыми подразумеваются гипотетические устройства или системы, способные достаточно долго сохранять квантовые состояния с фазовой когерентностью. Выше уже упоминалось, что время существования квантовых состояний электрона с фазовой когерентностью очень мало. Речь шла о когерентности волн де-Бройля, между тем когерентность спиновых состояний электронов в полупроводниках уже сейчас варьируется в пределах от наносекунд до миллисекунд, что позволяет исследователям серьезно относиться к проектированию квантовых вычислительных и запоминающих устройств.

Далее, при уменьшении размеров обычных транзисторов исследователи сталкиваются с проблемой обеспечения исключительно высокой чистоты используемых материалов, так как даже один случайный атом примеси может менять характеристики сверхмалых полупроводниковых устройств. Однако, преодолев это препятствие и научившись реально манипулировать отдельными электронами в наномасштабных системах, ученые получили возможность создать целый набор совершенно новых типов устройств или даже приборов. Для пояснения принципов и особенностей работы таких одноэлектронных систем можно рассмотреть задачу о емкости одноэлектронного транзистора с очень небольшим туннельным переходом (речь идет о емкости системы из двух очень малых проводников, разделенных сверхтонким слоем изолятора).

Как уже говорилось выше, электрическая емкость такой системы теоретически представляет собой коэффициент пропорциональности между разностью потенциалов этих проводников и разностью их зарядов (отрицательного и положительного). В простейшей, школьной модели проблема емкости рассматривается на примере двух параллельных обкладок конденсатора, разделенных слоем изолятора. В применении к рассматриваемой структуре, туннелирование одного-единственного электрона между слоями проводников должно приводить к изменению электростатической энергии системы на величину e2/C. Поэтому изменение емкости (которая, напомним, по своей физической природе связана с геометрией) в очень малых системах может оказаться больше, чем характерное значение тепловой энергии (равное 3kT/2), вследствие чего может возникнуть эффект так называемой «кулоновской блокады», уменьшающей проводимость системы для преодоления требуемого электростатического барьера. Этот эффект позволяет экспериментаторам реально регулировать «поштучное» движение электронов вдоль канала проводимости (в данном случае перехода в транзисторе), контролируя тем самым напряжение.

Читать дальше