Електрони навчилися «серфінгувати» на фононах у нанодротах

Низькочастотний шум, який заважає мобільним розмовам, пов'язаний з тим, як електрони рухаються та взаємодіють у матеріалах на найменшому рівні. Електронний мерехтливий шум часто виникає через переривання потоку електронів різними процесами розсіювання в металах, які їх проводять. Такий самий шум заважає роботі передових сенсорів і створює перешкоди для розробки квантових комп'ютерів — пристроїв, які, як очікується, забезпечать незламну кібербезпеку, обробку масштабних обчислень та моделювання природних процесів способами, які наразі неможливі.

Набагато тихіше та яскравіше майбутнє може очікувати ці технології завдяки новому дослідженню під керівництвом Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі. Дослідницька група продемонструвала прототипи пристроїв, які за певної напруги проводили електрику з меншим рівнем шуму, ніж звичайний потік електронів.

Ці експериментальні пристрої використовували нетрадиційні матеріали для формування нанодротів — стрічок настільки тонких, що знадобилася б тисяча чи більше, щоб зрівнятися з шириною волосини. На відміну від звичайної електроніки, де рівні шуму зазвичай залишаються постійними, нанодроти продемонстрували дивовижну властивість: шум зменшувався зі збільшенням електричного струму.

Поведінка матеріалів визначалася квантовим феноменом, у якому електрони рухаються узгоджено з фононами — температурними коливаннями, які можуть спричиняти мерехтливий шум. Важливо, що один із матеріалів у дослідженні пригнічував шум за кімнатної температури та вище.

«Зазвичай ми думаємо про фонони як про поганих хлопців, які розсіюють електрони», — сказав автор-кореспондент Олександр Баландін, власник професорської кафедри Фанг Лу в Інженерній школі Самуелі Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, заслужений професор матеріалознавства та інженерії та член Каліфорнійського інституту наносистем. «У цьому конкретному випадку ми виявили, що фонони дозволяють електронам спільно рухатися вперед. Ця дивна, унікальна властивість щодо шуму може дозволити нам покращити співвідношення сигнал-шум».

Дослідження було опубліковано в журналі Nature Communications.

Коли до металевого дроту прикладається напруга, електрони рухаються під дією електричного поля, постійно збиваючись з курсу фононами та різними дефектами в матеріалах, що призводить до шумного струму. Дослідники скористалися додатковим режимом руху електронів за дуже специфічних обставин, викликаних протиінтуїтивними правилами квантової механіки. У цьому режимі електрони мають тенденцію збиватися разом у періодичні структури, які забезпечуються взаємодією з фононами та значною мірою синхронізовані з ними.

За аналогією електрони можна уявити як серферів, що подорожують океаном провідного матеріалу, через який протікають хвилі фононів. У звичайному режимі електрони діють як серфери-новачки, які час від часу збиваються зі своїх дощок фононними хвилями. Електрони в квантовому режимі схожі на досвідчених серферів, які ловлять фононні хвилі та використовують їхню енергію для плавного руху.

Оскільки рух фононів та електронів настільки тісно пов'язаний, матеріали, які відкривають режим досвідченого серфера, називаються «сильно корельованими матеріалами».

«Ми використали цей режим з колективним, корельованим рухом електронів, щоб отримати перевагу в плані зниження шуму», — сказав Баландін, заступник голови з питань аспірантури на кафедрі матеріалознавства та інженерії Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та директор лабораторії спектроскопії непружного розсіювання світла Бріллюена-Мандельштама в Інституті наносистем.

Дослідники виготовили нанодроти з матеріалів, атомні зв'язки яких були міцними лише в одному напрямку, а потім підключили їх до крихітних електродів. Один із цих так званих квазіодновимірних нанодротів був виготовлений зі сполуки на основі елемента танталу — синювато-сірого металу, який використовується в електронних компонентах. Інший квазіодновимірний матеріал був заснований на хімічному родичі цього елемента — ніобії.

У матеріалі на основі танталу шум зменшувався зі збільшенням струму, поки не впав нижче межі практичного вимірювання за температури близько мінус 73 градусів за Цельсієм. Матеріал на основі ніобію демонстрував подібну поведінку. У цьому одновимірному нанодроті шум впав значно нижче рівня, створюваного звичайними електронами, а потім залишався постійним в експериментах, проведених за кімнатної температури та навіть вище.

Дослідники були здивовані. У попередніх експериментах з іншими сильно корельованими матеріалами або різними прикладеними напругами рівні шуму завжди поверталися до рівня звичайних електронів. Тому команда виготовила додаткові пристрої, щоб перевірити свої результати. Вони також розробили нові теоретичні моделі, які враховували унікальну поведінку.

«Сильно корельовані матеріали трансформують матеріалознавство», — сказав Баландін. «Здається, багато властивостей було втрачено в спрощеному описі, який ми мали раніше, тому нам потрібно було переглянути наші теоретичні моделі та інтерпретації. Якщо ми зможемо описати матеріали точніше, це може допомогти нам виявити та зрозуміти нові властивості».

Результати вказують на потенціал для практичного застосування в майбутніх комунікаційних технологіях та сенсорах з наднизьким рівнем шуму. Вони також обіцяють стабілізацію примхливих фундаментальних компонентів квантових комп'ютерів — і робити це за температур вище надзвичайно холодних, необхідних сьогодні.

Баландін уявляє майбутнє, в якому сильно корельовані матеріали можуть використовуватися як провідники для з'єднання компонентів на комп'ютерних чіпах. Він вважає, що ці матеріали можуть навіть підтримати фундаментальну зміну в архітектурі схем.

«Все хороше колись закінчується», — сказав він. «З попитом на високопродуктивні обчислення для штучного інтелекту ми повинні дивитися на матеріали, які через десять з лишком років можуть дати нам альтернативні засоби для передачі електричних сигналів та їх обробки».

Дослідники планують продовжити вивчення матеріалів із цього дослідження, одночасно шукаючи інші матеріали, які переносять хвилі зарядової густини ще ефективніше за кімнатної температури. «Можливо, є матеріали, які ще кращі», — сказав Баландін. «Пошук триває».