Исследователи из Мичиганского государственного университета выяснили, как с помощью быстрого лазера заставить атомы вибрировать так, чтобы временно изменить свойства материала-носителя. Их новый подход может привести к созданию более компактной и эффективной электроники — например, смартфонов — в будущем.
Тайлер Коккер, доцент колледжа естественных наук, и Хосе Л. Мендоса-Кортес, доцент колледжей инженерии и естественных наук, объединили экспериментальную и теоретическую стороны квантовой механики — изучения странного поведения атомов в очень малых масштабах — чтобы расширить возможности материалов для улучшения электронных технологий, которые мы используем каждый день. Результаты опубликованы в журнале Nature Photonics.
«Этот опыт напомнил нам, что такое наука на самом деле, потому что мы обнаружили материалы, которые работают не так, как мы ожидали, — сказал Коккер. — Теперь мы хотим посмотреть на то, что будет технологически интересно для людей в будущем».
Использование материала под названием дителлурид вольфрама (WTe₂)
Используя материал под названием дителлурид вольфрама (WTe₂), состоящий из слоя атомов вольфрама (W), зажатого между двумя слоями атомов теллура (Te), команда Коккетера провела серию экспериментов, поместив этот материал под специализированный микроскоп, который они создали.
Обычно микроскопы используются для изучения объектов, которые трудно увидеть человеческим глазом, например отдельных клеток. Однако сканирующий туннельный микроскоп Коккетера может показать отдельные атомы на поверхности материала. Он делает это, перемещая чрезвычайно острый металлический наконечник по поверхности, «ощупывая» атомы через электрический сигнал, подобно чтению шрифта Брайля.
При изучении атомов на поверхности WTe₂ команда Коккетера использовала сверхбыстрый лазер для создания терагерцовых импульсов света, движущихся со скоростью сотен триллионов раз в секунду. Эти терагерцовые импульсы были сфокусированы на наконечнике.
В наконечнике сила импульсов была значительно увеличена, что позволило исследователям заставить верхний слой атомов непосредственно под наконечником вибрировать и аккуратно сдвинуть его из положения относительно оставшихся слоёв под ним. Представьте себе стопку бумаг, у которой верхний лист слегка перекошен.
Пока лазерные импульсы освещали наконечник и WTe₂, верхний слой материала вёл себя иначе, проявляя новые электронные свойства, которых не было, когда лазер был выключен. Коккер и его команда поняли, что терагерцовые импульсы вместе с наконечником можно использовать как наноразмерный переключатель для временного изменения электрических свойств WTe₂ и масштабирования устройств следующего поколения. Микроскоп Коккетера мог даже видеть движение атомов во время этого процесса и фотографировать уникальные состояния «включено» и «выключено» переключателя, который они создали.
Совместная работа экспериментальной и теоретической сторон
Когда Коккер и Мендоса-Кортес поняли, что работают над похожими проектами с разных точек зрения, экспериментальная сторона Коккетера соединилась с теоретической стороной Мендосы-Кортеса в области квантовой механики. Исследования Мендосы-Кортеса сосредоточены на создании компьютерных симуляций. Сравнив результаты квантовых расчётов Мендосы с экспериментами Коккетера, обе лаборатории получили одинаковые результаты — независимо и с помощью разных инструментов.
«Наши исследования дополняют друг друга; это те же наблюдения, но через разные призмы, — сказал Мендоса-Кортес. — Когда наша модель соответствовала тем же ответам и выводам, которые они нашли в своих экспериментах, у нас сложилась более полная картина происходящего».
Лаборатория Мендосы вычислительно обнаружила, что слои WTe₂ сдвигаются на 7 пикометров во время вибрации, что трудно наблюдать с помощью специализированного микроскопа в одиночку. Также они смогли подтвердить, что частоты, на которых вибрируют атомы, совпадают в эксперименте и теории, но квантовые расчёты могут показать, в каком направлении они вибрируют и насколько.
«Движение происходит только в верхнем слое, так что оно очень локализовано, — сказал Даниэль Мальдонадо-Лопес, аспирант четвёртого курса в лаборатории Мендосы. — Это потенциально может быть применено при создании более быстрой и компактной электроники».
Коккер и Мендоса-Кортес надеются, что это исследование приведёт к использованию новых материалов, снижению затрат, увеличению скорости и повышению энергоэффективности будущих телефонов и компьютерных технологий.
«Когда вы думаете о своём смартфоне или ноутбуке, все компоненты в них сделаны из какого-то материала, — сказала Стефани Адамс, аспирантка четвёртого курса в лаборатории Коккетера. — В какой-то момент кто-то решил, что это тот материал, который мы будем использовать».
Michigan State University