Канадские физики, возможно, нашли способ преодолеть температурные барьеры, которые стояли на пути развития экологичной электроники.
В основе прорыва — висмут. Аспирант Макгилльского университета в Монреале Оулин Ю и его коллеги обнаружили, что это серебристое металл может проводить электричество в диапазоне температур от около абсолютного нуля (−273 °C) до комнатной температуры.
Висмут используется в фармацевтике, косметике, стекле, керамике и атомных пожарных сигнализациях. Он расположен в периодической таблице рядом с свинцом. Согласно сайту Geology Science, висмут редок, а самые большие его месторождения находятся в Китае, Боливии, Канаде, Мексике и Австралии, где его часто добывают вместе с другими металлами, включая золото, свинец, серебро и цинк.
Команда создала тонкие, как тёрка для сыра, хлопья висмута, срезая слои толщиной 68 нанометров и помещая их в микроскопические траншеи на полупроводниковых пластинах.
Через эти хлопья висмута пропускали электрический ток при воздействии массивного магнитного поля, которое в десятки тысяч раз сильнее, чем у обычного магнита на холодильнике.
К удивлению Ю и его команды, пластины продемонстрировали «аномальный эффект Холла» (АЭХ).
Немного физики. Обычно, когда электроны проходят через провод, они сталкиваются с атомами или дефектами, которые можно сравнить с выбоинами и светофорами на электрическом шоссе, теряя при этом много энергии.
Теперь представьте себе тонкий лист висмута или другого металла, как ровную дорогу для электронов.
При введении мощного магнита и экстремального холода электроны начинают течь только по краям листа и только в одном направлении, как машины на односторонней улице без светофоров и лежачих полицейских. Этот поток происходит без какого-либо сопротивления — идеальная магистраль для электронов.
Это называется «квантовым эффектом Холла».
В случае «аномального эффекта Холла» (АЭХ) то же самое происходит без магнита, потому что используемый материал сам по себе магнитный. Но висмут диамагнитен, что означает, что он отталкивается от магнитного поля — при воздействии магнита в металле индуцируется противоположное магнитное поле.
Ю говорит, что висмут не должен демонстрировать АЭХ.
«Я не могу указать на одну теорию, которая бы объяснила это», — говорит профессор Гийом Жерве, — «есть только отдельные части потенциального объяснения».
По словам Ю, висмут может демонстрировать эффекты, аналогичные «топологическим» материалам. Поверхности топологических веществ проявляют свойства, отличные от их внутренности, и могут произвести революцию в вычислительной технике.
Жерве был настолько уверен, что АЭХ исчезнет при повышении температуры, что заключил небольшую ставку со своей командой.
«Мы ожидали, что этот эффект исчезнет, как только мы увеличим температуру, но он упорно не исчезал; мы продолжали повышать температуру до комнатной, а он всё ещё был там! — сказал Жерве. — Я был так уверен, что он исчезнет, что даже поспорил со своими студентами Оулином Ю и Фредериком Буавеном на бутылку вина. Оказалось, я был неправ».
Открытие бросает вызов общепринятым представлениям в физике и имеет значение для экологичной электроники с низкими выбросами.
«Если мы сможем использовать это, это может стать важным для экологичной электроники», — говорит Жерве.
Следующий шаг для исследовательской группы — изучить, можно ли преобразовать АЭХ висмута в его квантовый аналог — квантовый аномальный эффект Холла (КАЭХ).
Это может означать появление экологичной электроники, которая будет функционировать при более высоких температурах, чем это было возможно ранее.
Статья была опубликована в Physical Review Letters.
Будущее — за экологичной электроникой.