Elektronai išnyksta kaip garsas ausinėse? Šis kvantinis triukas gali atvesti mus į visiškai naują erą

Jie pasinaudojo kvantiniu elektronų elgesiu ir parodė, kaip subtiliai pakeitus atomų išsidėstymą silicije galima iš esmės įjungti arba išjungti laidumą. Šis proveržis gali lemti dar mažesnių, spartesnių ir efektyvesnių prietaisų kūrimą.

Kai elektronai juda itin mažose erdvėse, jie elgiasi ne kaip kietos dalelės, o kaip bangos. Ši kvantinė savybė leidžia pasireikšti reiškiniui, vadinamam destruktyviąja interferencija. 

Tai tarsi garso bangų atšaukimas ausinėse su triukšmo slopinimu, panašiu principu elektronų bangos gali viena kitą užslopinti, taip blokuodamos elektros srautą. Šią savybę galima valdyti formuojant silicio atomų struktūrą itin simetriškai.

Profesorius Timas Su, tyrimui vadovavęs chemijos mokslininkas, pabrėžė, kad simetriškos silicio struktūros gali nutildyti elektronų judėjimą, o dar svarbiau, tai įmanoma kontroliuoti. Tai leidžia elektronikos komponentus valdyti ne vien naudodami tradicinius metodus, o pasitelkus molekulinį tikslumą.

Tradiciniai metodai pasiekia ribas

Technologijų pramonė jau kuris laikas susiduria su ribojančiais veiksniais, bandydama dar labiau sumažinti mikroschemų dydį. Iki šiol dažniausiai naudotas metodas, mikroskopinių takelių ėsdinimas į silicio plokšteles arba jų savybių keitimas pridedant kitų elementų. Tačiau šie metodai nebegali kovoti su kvantiniais reiškiniais, kurie pradeda dominuoti ypač mažose struktūrose.

Būtent čia atsiveria naujas kelias. Vietoj to, kad būtų formuojami iš didesnių dalių, Su komanda silicį konstravo iš apačios į viršų, molekulę po molekulės. Toks būdas suteikia absoliutų tikslumą kontroliuojant atomų padėtį ir leidžia tiksliai valdyti, kaip juda elektronai.

Iššūkiai virsta galimybėmis

Silicis, tai antras pagal paplitimą elementas Žemės plutoje jau dešimtmečius yra pagrindas šiuolaikinei elektronikai. Tačiau mažėjant įrenginių dydžiui, kvantiniai reiškiniai tampa vis aktualesni. Vienas jų yra elektronų gebėjimas prasiskverbti pro izoliacinius sluoksnius, tai ilgą laiką laikytas problema. Dabar mokslininkai siūlo keisti požiūrį ir ne bandyti išvengti šių efektų, o išnaudoti juos kaip naujus įrankius.

Pasak Su, jų darbas rodo, kad molekulinė simetrija silicije lemia trikdžius, kurie gali blokuoti arba leisti elektronų judėjimą. O šį trikdį galima įjungti arba išjungti tiesiog keičiant, kaip elektrodai jungiasi prie molekulės.

Ateities taikymas elektronikoje ir energetikoje

Nors kvantinės interferencijos idėja nėra nauja, tai vienas pirmųjų bandymų ją panaudoti tikroje, trimatėje, deimanto struktūros silicijoje, tai tokioje, kokia jau naudojama komercinėse mikroschemose. Tai reiškia, kad atradimas gali būti pritaikytas realiame technologijų pasaulyje be poreikio kurti visiškai naujas medžiagas.

Šis metodas gali ne tik padėti kurti itin mažus elektronikos jungiklius, bet ir būti pritaikytas termogeneratoriuose, įrenginiuose, kurie paverčia šilumos perteklių į elektrą. Taip pat galimi taikymai kvantiniuose kompiuteriuose, kuriems reikalingi tikslūs ir stabilūs komponentai.

Tyrimą apibendrinęs profesorius Su pabrėžė, kad tai ne tiesiog nedidelis patobulinimas, o iš esmės naujas būdas suprasti ir valdyti silicį. Ši kryptis gali iš esmės pakeisti požiūrį į tai, ką galima pasiekti su šia vis dar neišsemta medžiaga.