Изучение графена поможет освоить бесконтактную передачу энергии
Высокая электропроводность и оптическая прозрачность графена определили его репутацию преемника кремния в интегральных микросхемах. Но хотя разговоры о том, что графен - материал для наноэлектроники будущего, идут уже давно, ученым еще многое неизвестно об этой удивительной модификации углерода и о том, как она будет вести себя в микроскопических устройствах.
Тем временем развитие современной технологии производства компьютерных процессоров, вероятно, приближается к своему пределу. Согласно эмпирическому закону Мура, количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается примерно каждые два года. Новейшая технология использует полупроводниковые элементы размером в одну 100-тысячную часть миллиметра.
"До недавнего времени почти все технологии в электронике были основаны на так называемой одноэлектронной физике, то есть на физических явлениях, которые можно моделировать системой независимых электронов, - рассказывает физик-теоретик из Национального исследовательского ядерного университета МИФИ Борис Нарожный. - Этот подход перестает работать, когда размер системы становится слишком маленьким. Тогда электроны начинают "толкаться в тесноте", то есть взаимодействовать. Наш интерес заключается в том, чтобы разобраться, как устроены материалы, в частности графен, и как они себя ведут в качестве составных частей разнообразных устройств, как правило, с размерами, измеряющимися в нанометрах, то есть в условиях той самой "тесноты" электронов".
 |
| Если через один из слоев пропустить электрический ток, то есть привести носители заряда в движение, то заряды во втором слое автоматически начнут двигаться, следуя своим «партнерам». |
| Источник: Фото из архива Бориса Нарожного |
Разобраться в микроскопической структуре материалов и их поведении в наноустройствах исследователям помогает эффект Кулоновского увлечения. Он был впервые предсказан советским ученым М.Б. Погребинским еще в 1977 году. Сегодня этот физический эффект используют ученые многих ведущих лабораторий мира.
Представьте себе образец, построенный из двух близко расположенных, но электроизолированных друг от друга проводников. Пропуская электрический ток через один из них, ученые измеряют электрический отклик - ток или напряжение, - возникающий во втором проводнике. Казалось бы, электроизоляция должна исключить этот электрический отклик. Но электромагнитные поля, возбужденные движущимися зарядами в одном проводнике, действуют на заряды внутри другого проводника, как бы увлекая их за собой, провоцируя начать двигаться или изменить свое движение. Этот эффект и называется Кулоновским увлечением.
Уникальные свойства графена позволили ученым предположить, что и Кулоновское увлечение в этом странном материале будет каким-то особенным. И, действительно, оказалось, что в графене по сравнению с другими полупроводниковыми системами проще добиться идеального Кулоновского увлечения. Для этого не нужны экстремально низкие температуры и, наоборот, очень высокие магнитные поля. Возникает идеальное увлечение из-за конденсации экситонов, имеющейся в образце (экситон - это связанная пара электрона и дырки, иначе говоря, двух свободных носителей заряда противоположного знака: электрон заряжен отрицательно, дырка - положительно).
В двухслойных системах один из двух носителей принадлежит одному слою, а другой - другому. Если через один из слоев пропустить электрический ток, то есть привести носители заряда в движение, то заряды во втором слое автоматически начнут двигаться, следуя своим "партнерам". Причем движение зарядов в одном слое не просто слегка изменит поведение зарядов во втором, они как бы начнут танцевать парный танец, полностью синхронизировавшись.
Впервые идеальное Кулоновское увлечение в системе, составленной из двух листов графена, наблюдала группа ученых из Гарварда. Борис Нарожный работает в этом же направлении, только не экспериментально, а теоретически.
"Наши последние расчеты посвящены свойствам графена при высоких, приближающихся к комнатным температурах, - поясняет Нарожный. - Есть основания полагать, что в этом температурном режиме экситонные эффекты могут играть важную роль в Кулоновском увлечении, несмотря на то что в одном листе графена температура экситонной конденсации крайне мала. Разумеется, с практической точки зрения наиболее интересны свойства материалов именно при комнатной температуре". Ранее он вместе с коллегами неоднократно теоретически предсказывал или объяснял результаты экспериментов, связанных с Кулоновским увлечением. Также Нарожный одним из первых предложил изучить этот эффект в графене еще в 2007 году, а в этом году опубликовал обзор этой области исследований в журнале Reviews of Modern Physics.
Если еще раз вернуться к идеальному увлечению, описанному выше, можно заметить, что оно чем-то напоминает так называемую квантовую запутанность, которую ученые используют для квантовой телепортации. Возможно, это не случайно. По словам исследователя из НИЯУ МИФИ, явление Кулоновского увлечения чрезвычайно важно как в качестве экспериментального инструмента для исследования взаимодействующих электронных систем в твердых телах, так и для потенциальных приложений, основанных на бесконтактной передаче энергии.
В макромире для бесконтактной передачи энергии сегодня используются радиоволны. Именно они осуществляют передачу информации в тот момент, когда вы подносите к считывающему устройству бесконтактный ключ или кредитную карту. Нарожный считает, что в микромире и, в частности, в электронике ближайшего будущего бесконтактная передача энергии (заряда, информации и т.д.) может осуществляться за счет физического механизма, ответственного за Кулоновское увлечение. И, возможно, именно изучение графена и его необычных свойств позволит такой электронике появиться быстрее.
Екатерина Цыбина Юлия Шабунина