Исследователи из Университета Калифорнии в Риверсайде выяснили, как управлять электрическим током в кристаллическом кремнии — материале, лежащем в основе современных технологий. Это открытие может привести к созданию более компактных, быстрых и эффективных устройств за счёт использования квантового поведения электронов.
Квантовые эффекты в кремнии
На квантовом уровне электроны ведут себя скорее как волны, чем как частицы. Учёные показали, что симметричная структура молекул кремния может быть точно настроена для создания или подавления явления, известного как деструктивная интерференция. Этот эффект может включать или выключать проводимость, функционируя как переключатель на молекулярном уровне.
«Мы обнаружили, что, когда крошечные кремниевые структуры имеют высокую симметрию, они могут подавлять поток электронов, подобно наушникам с шумоподавлением», — сказал Тим Су, профессор химии UCR, возглавлявший исследование. «Интересно то, что мы можем это контролировать».
Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society
Исследование, опубликованное в Journal of the American Chemical Society, открывает новые горизонты в понимании того, как электричество движется через кремний на мельчайших масштабах, атом за атомом.
Проблема миниатюризации кремниевых чипов
Технологическая индустрия столкнулась с трудностями при дальнейшем уменьшении традиционных кремниевых чипов. Традиционные методы включают вырезание крошечных схем в кремниевых пластинах или легирование, что означает добавление небольшого количества других элементов для контроля проводимости кремния.
Эти методы хорошо работали десятилетиями, но они приближаются к физическим пределам: можно вырезать только настолько маленькие детали, а добавленные атомы не могут устранить проблемы, вызванные квантовыми эффектами.
Новый подход
В отличие от этого, Су и его команда использовали химию для создания молекул кремния с нуля, а не вырезания их. Этот подход «снизу вверх» дал им точный контроль над расположением атомов и, что особенно важно, над движением электронов через кремниевые структуры.
Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре и рабочая лошадка вычислений. Но по мере уменьшения размеров устройств непредсказуемые квантовые эффекты, такие как утечка электронов через изолирующие барьеры, усложняют управление традиционными конструкциями. Это новое исследование предполагает, что инженеры могут использовать, а не бороться с этим квантовым поведением.
«Наша работа показывает, как молекулярная симметрия в кремнии приводит к интерференционным эффектам, контролирующим движение электронов через него», — сказал Су. «И мы можем включать и выключать эту интерференцию, контролируя расположение электродов относительно нашей молекулы».
Перспективы
Хотя идея использования квантовой интерференции в электронике не нова, это одно из первых демонстраций эффекта в трёхмерном, алмазоподобном кремнии — той же структуре, которая используется в коммерческих чипах.
Помимо сверхмалых переключателей, результаты могут помочь в разработке термоэлектрических устройств, преобразующих тепловые отходы в электричество, или даже компонентов квантовых вычислений, созданных из привычных материалов.
«Это даёт нам принципиально новый способ мышления о переключении и переносе заряда», — сказал Су. «Это не просто настройка. Это переосмысление того, что может делать кремний».
Предоставлено Университетом Калифорнии в Риверсайде.