Нанонауки. Невидимая революция
Шрифт:
В приборах, созданных методами микроэлектроники, наблюдаются и иные квантовые явления. В мире наших масштабов если уж по проводнику течет ток, то он подчиняется закону Ома: значит, сила тока обратно пропорциональна электрическому сопротивлению проводника (чем больше сопротивление, тем меньше ток — при том же приложенном напряжении); иначе говоря, если сопротивление проводника велико, то электронам по этому проводнику перемещаться труднее. А ведь чем тоньше проводок, тем его сопротивление больше. Электронам труднее проталкиваться через узкое место — вспомните о зрителях, покидающих театр через узкий коридор.
Однако, когда диаметр проводника уменьшается до нескольких десятков нанометров, наблюдается нечто странное: сопротивление перестает непрерывновозрастать по мере уменьшения сечения проводника, как это было раньше. Нет, оно по-прежнему растет, но — «скачками»: вот мы понемногу делаем провод тоньше, но сопротивление долго не меняется, а потом вдруг возрастает на квант сопротивления. Это примерно так,
Эти скачки объясняются явлением дифракции. Положим, что проводник утоньшается. Тогда раньше или позже, но в какой-то момент сечение его станет таким, что в его диаметре уложится считаное число электронных волн. Тогда при совпадении диаметра проводника с числом, кратным длине полуволны, возникает резонанс и прибавляется квант сопротивления. А когда диаметр проводника становится меньше самой малой полуволны, то проводок делается непрозрачным для электронов. Это выглядит так, словно бы волне (то есть электрону) тесно в слишком тонком проводе — ей просто негде колебаться (так свет не может проникнуть в совсем уж тоненькую дырочку): значит, и потока электронов — а это электрический ток! — не будет. Впервые это квантовое явление обнаружили в самом конце 1980-х годов.
А что будет, если на таких тонюсеньких проводках собрать целую электронную схему? Вот обычная — классическая — электрическая цепь: пусть два сопротивления (например, резисторы — или проводники) соединены параллельно. Тогда электрическая проводимость — так называется мера «легкости», с которой ток преодолевает цепь, — будет равна сумме электропроводимостей обеих запараллеленных ветвей, согласно законам Кирхгофа (они открыты в XIX веке). А теперь переведем схему в мезоскопическую шкалу (это среди прочего значит, что проводки стали совсем тоненькими). Диаметры резистора и провода, который к нему подключен, меньше 100 нм, и никакие законы Кирхгофа схеме не указ. Правда, общая проводимость схемы по-прежнему равна сумме параллельных сопротивлений, но с учетом эффектов квантовой интерференции, а чтобы учесть интерференцию, надо вводить в сумму — или (это удобнее) в ее слагаемые — поправки на квантовые эффекты. Так что никуда законы электротехники не деваются — заряд электрона, одна из фундаментальных физических постоянных, остается тем же. Просто еще и проявляются (на маленьких расстояниях) квантовые явления.
Электрон — это элементарная частица, у которой есть электрический заряд, именуемый элементарным. Элементарен этот заряд потому, что он — неделим. Меньше не бывает. Его приравнивают к -1. Все иные заряженные частицы, то есть те, которые образуют электрически заряженное вещество, имеют заряд, кратный заряду электрона. У атома, захватившего электрон, заряд отрицательный — ведь у него лишний электрон с зарядом -1. К примеру, ион хлора в молекуле поваренной соли (хлорированного натрия) — это атом хлора с лишним, захваченным электроном, а потому он имеет отрицательный заряд, равный -1. Наоборот, атом, потерявший электрон или несколько электронов, будет заряжен положительно, потому что у него недостает электронов. Ион натрия в молекуле той же поваренной соли обозначается символом Na+ — это тот же атом натрия, только без одного электрона.
Возьмем теперь проводящий брусок, по которому протекает ток утечки, и поместим его в магнитное поле, перпендикулярное бруску; между оконечностями бруска возникнет электрическое напряжение. Усилим напряженность магнитного поля — и напряжение между кончиками бруска увеличится; это так называемый эффект Холла. Холлово сопротивление определяется как отношение напряжения к силе тока, оно увеличивается линейно по мере усиления магнитного поля. В 1988 году физики поместили в магнитное поле не проводящий брусок, а пластинку толщиной в десяток нанометров. И увидели, что по мере увеличения магнитного поля сопротивление Холла по-прежнему растет, но не линейно, а скачками, точнее, прирастает строго определенными порциями, — это квантовый эффект Холла.
Первая порция приращения — это элементарный квант Холлова сопротивления, последующие порции кратны этой первой порции. Обнаружилось, однако, что по мере возрастания магнитного поля появляются какие-то промежуточные — некратные первой порции — приращения. Откуда они берутся? Было над чем ломать голову. В самом деле, получалось, что должны быть еще какие-то носители заряда, с зарядом меньше элементарного! Заряд меньше единицы! То есть дробный. Однако никаких «кусочков электрона» так и не нашли. Электрон так и остался неделимым, и его заряд тоже. Носителями же дробного заряда оказались частицы неведомого прежде рода: их назвали квазичастицами, или виртуальными частицами. А «возникают» квазичастицы в результате суммарного, совместного поведения тысяч «нормальных» электронов в сверхтонкой пластинке. В такой пластинке под воздействием магнитного поля все происходит так, словно электрический ток — поток не электронов, а квазичастиц с зарядом в 1/3. В позднейших экспериментах удалось подтвердить существование квазичастиц с зарядами в 1/5 или 1/7 заряда электрона. Вот в какой новый мир привела нас миниатюризация.
Вещие птицы принесли было скверную весть о непреодолимых препонах, якобы мешающих создавать транзисторы при использовании микронной технологии, тем более на расстояниях в четверть микрона или порядка 100 нм (= 0,1 мкм). Через все эти преграды, однако, ухари-физики перемахнули, пускаясь во все тяжкие и выдумывая все более хитроумные трюки. Но вот с поколением транзисторов, меньших 20 нм, ничего не получалось: квантовые явления не позволяли. Надо было пересматривать само понимание транзистора — тот транзистор, какой мы знали со времени его возникновения, уже не годился. Можно было продолжать миниатюризацию и дальше, но новинки не обещали ничего существенно лучшего по сравнению с тем, что уже и так было. Где же выход? Наверное, искать его надо было не на путях преодоления квантовых явлений, а там, где эти явления поддавались бы какому-то использованию. Значит, в лабораториях должна была родиться новая электроника — квантовая. Эту самую квантовую электронику иногда называют — неправильно! — наноэлектроникой. В самом деле, размеры приборов, создаваемых методами квантовой электроники, таковы, что в приборе еще содержатся тысячи атомов. Только допуски — нанометровые, все остальное, можно сказать, «как обычно». Давайте лучше присмотримся к кое-каким дорожкам, сулящим вывести нас к электронике будущего.
Если классический транзистор сделать меньше 20 нм, то в нем останется совсем мало «деятельных» электронов (тех, которые работают в транзисторе). Ну и что? А почему бы не сделать прерыватель (ключ) на одном-единственном электроне? Как только электрон проникает в классический транзистор, суммарная энергия внутри транзистора увеличивается. Электрон черпает эту энергию из тепловых флуктуаций в своей точке «отправления», и, поскольку приращение энергии ничтожно, оно теряется — «тонет» — в тепловых флуктуациях в точке «прибытия». Так что электроном больше или электроном меньше — транзистору («классическому»), в общем, все равно. А вот если транзистор занимает площадку в десяток нанометров и меньше, то такой микроскопической прибавкой энергии пренебречь не удастся. И никаких тепловых микроколебаний не хватит, чтобы замаскировать эту прибавку. Более того, попав в транзистор, электрон загородит дорогу другим электронам. Это явление называют «блокадой Кулона»: ни одному лишнему электрону просочиться не удастся, потому что энергии не хватит — уж очень она дорогая. Происходит так, как в шлюзе: как только он наполнен водой, новая вода прекращает в него поступать — просто места больше нет. «Блокаду Кулона» описали в 1951 году, но о том, что на этом эффекте можно построить транзистор с одиночным электроном, догадались только в 1985 году, а опробовали эту идею в эксперименте лишь двумя годами позже, применив очень изощренные методики электронной литографии.
Еще одна совсем иная электроника может родиться не из использования заряда электрона, а из работы с его элементарным магнитным моментом, который называется спином и истолковывается как вращательный момент, — так, словно бы электрон вращается вокруг своей оси (spinпо-английски значит «крутиться», «вращаться»). И, как маленький магнитик, этот спин производит магнитное поле, направленное вверх или вниз — соответственно направленности вращения электрона. Если вещество — не магнит, то ориентации спина (вращательного момента) будут случайными. Значит, в классическом транзисторе ориентация спина любого электрона может быть какой угодно и потому не влияет на свойства транзистора (разные спины компенсируют друг друга). Но если взять материал с выраженными магнитными свойствами (магнетик), то, напротив, количество электронов со спином, обращенным вверх, будет сильно отличаться от числа электронов со спином, ориентированным вниз, что и приводит к намагничиванию материала. Спины электронов, попадающих в магнитный материал, по необходимости взаимодействуют с магнитным моментом этого материала. Положим, что через ферромагнетик (это обычные магниты из железа, никеля или кобальта) течет электрический ток — поток электронов со спинами произвольной ориентации. В таком случае у тех электронов, спины которых ориентированы в одном направлении, больше шансов пройти свой путь, чем у прочих электронов (с разнонаправленными спинами). Получается, что ферромагнетик действует как фильтр, пропускающий электроны с некоторой — «предпочтительной» — ориентацией спина и сильно мешающий продвижению остальных электронов. Еще одно наблюдение: электрическому току (потоку электронов) по силам изменить магнитные моменты на тех участках магнитного материала, которые оказались по соседству с потоком электронов — иначе говоря, если сила тока достаточно велика, то есть движется множество электронов, то их поток поменяет ориентацию магнитного момента самого материала. Исследования подобных явлений стали называть «спинтроникой» [12] . На переворачивание спинов уходит куда меньше времени и энергии, чем на переключение транзистора (из закрытого состояния в открытое или наоборот), уже потому, что электрону проще и быстрее опрокинуться, чем преодолеть некоторое расстояние. Вот почему спинтронная электроника в такой чести у многих исследователей.
12
За работы в области спинтроники французский физик Альбер Фер получил в 2007 г. Нобелевскую премию по физике.