Сучасна електроніка зіткнулася з викликом – подальша мініатюризація кремнієвих чіпів стає все складніше. Нова наукова робота, проведена вченими Каліфорнійського університету в Ріверсайді, відкриває захоплюючі перспективи для подолання цього обмеження. Вченим вдалося виявити принципово новий спосіб управління проходженням електрики через кремній, ключовий матеріал, на якому заснована сучасна електроніка. Цей прорив, заснований на вивченні квантових властивостей електронів, може привести до створення пристроїв неймовірно малих розмірів, що володіють підвищеною швидкістю і енергоефективністю.
Квантова інтерференція: Магія симетрії та електронів
У мікроскопічному світі, на атомному рівні, електрони не просто рухаються як тверді частинки – вони проявляють себе як хвилі. Дослідники виявили, що, ретельно контролюючи розташування атомів у кремнієвих молекулах, можна керувати потоком електронів, викликаючи явище, відоме як деструктивна інтерференція. Уявіть це як” вимикач ” на нанорозмірному рівні – можливість вмикати або вимикати електропровідність за бажанням.
Як це працює: шумозаглушення для електронів
“Ми виявили, що коли кремнієві структури сформовані з високим ступенем симетрії, вони можуть пригнічувати потік електронів, подібно навушникам з активним шумозаглушенням,” – пояснює доктор тім Су, професор хімії Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі і керівник дослідження. Найцікавіше в цьому відкритті-можливість його контролювати. Змінюючи симетрію розташування атомів, можна” регулювати ” рівень шуму – в даному випадку, пригнічуючи або посилюючи потік електронів.”
У статті, опублікованій в престижномуJournal of the American Chemical Society, вчені надають новий погляд на поведінку електричних струмів у кремнії на атомному рівні. Це дослідження є важливим кроком вперед у розумінні фундаментальних властивостей матеріалів, що використовуються в електроніці.
Від травлення до” складання ” Атом за Атомом
У той час як традиційні методи мініатюризації, такі як мікроскопічне травлення кремнієвих пластин або додавання слідових кількостей інших елементів для зміни провідності, близькі до своїх фізичних меж, команда доктора Су підійшла до проблеми зовсім інакше. Замість того, щоб” вирізати ” схему з більшого шматка кремнію, вони застосували хімічний підхід, буквально збираючи молекули кремнію атом за атомом.
Цей метод “знизу вгору” дозволяє з вражаючою точністю контролювати розташування атомів і, що особливо важливо, управляти тим, як електрони проходять через кремній. Це як будувати складну конструкцію з LEGO-кожен елемент на своєму місці, кожен атом грає свою роль.
Кремній: другий за поширеністю елемент з нескінченним потенціалом
Кремній є одним з найпоширеніших елементів земної кори і відіграє центральну роль у сучасній електроніці. Однак у міру розвитку технологій і прагнення до зменшення розмірів пристроїв, квантові ефекти, такі як проходження електронів крізь ізолюючі шари, створюють нові проблеми для традиційного підходу до проектування. Це відкриття дає надію на те, що замість спроб усунути ці ефекти, інженери зможуть використовувати їх в своїх інтересах.
Більше, ніж просто Перемикач: енергія та квантові обчислення
“Наша робота показує, як молекулярна симетрія в кремнії призводить до інтерференційних ефектів, які керують рухом електронів через нього,” – підкреслює доктор Су. “І ми можемо вмикати або вимикати ці перешкоди, контролюючи розташування електродів на нашій молекулі.”
Хоча ідея використання квантової інтерференції в електроніці не нова, це один з перших продемонстрованих випадків ефекту в тривимірному, алмазоподібному кремнії – структурі, подібній до тієї, що використовується в комерційних чіпах. Крім надмалих перемикачів, це відкриття може призвести до прориву в розробці термоелектричних пристроїв, що перетворюють відпрацьоване тепло в електрику, і навіть до створення компонентів для квантових обчислень, виготовлених зі звичних матеріалів.
“Це дає нам принципово новий погляд на перемикання і перенесення заряду,” – підсумовує доктор Су. “Це не просто Налаштування – це переосмислення можливостей кремнію.”
Посилання:“Квантова інтерференція в молекулярному аналозі кристалічної Кремнієвої одиничної комірки” Метью О. Хайт, Ешлі Е. Піментел, Тімоті с. Сіу, Джошуа Ю. Вонг, Дженніфер Нгуєн, Вероніка Карта та Тімоті а. Су, 1 травня 2025 р.,Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/jacs.5c04272
