Полупроводниковые приборы — это небольшие компоненты, которые управляют движением электронов в современных электронных гаджетах. Они необходимы для питания широкого спектра высокотехнологичных продуктов, включая мобильные телефоны, ноутбуки и автомобильные датчики, а также самые современные медицинские приборы. Однако наличие материальных примесей или колебания температуры могут вмешиваться в поток электронов, вызывая нестабильность
Фото: freepik.com
Физики-теоретики и физики-экспериментаторы из Вюрцбургско-Дрезденского кластера передового опыта ct.qmat — Сложность и топология в квантовой материи разработали полупроводниковое устройство из арсенида алюминия-галлия-арсенида (AlGaAs). Поток электронов в этом приборе, обычно чувствительный к помехам, защищен топологическим квантовым явлением. Это революционное исследование недавно было подробно описано в авторитетном журнале Nature Physics.
Вас может заинтересовать: Создан аккумулятор, который заряжается за считанные минуты
«Благодаря топологическому скин-эффекту все токи между различными контактами квантового полупроводника не подвергаются воздействию примесей или других внешних возмущений. Это делает топологические устройства все более привлекательными для полупроводниковой промышленности. Они устраняют необходимость в чрезвычайно высоких уровнях чистоты материалов, которые сегодня повышают затраты на производство электроники», — объясняет профессор Йерун ван ден Бринк, директор Института теоретической физики твердого тела в Институте исследований твердого тела и материалов им. Лейбница в Дрездене (IFW) и главный исследователь ct.qmat.
Топологические квантовые материалы, известные своей исключительной прочностью, идеально подходят для энергоемких применений. «Наш квантовый полупроводник является одновременно стабильным и одновременно высокоточным — редкое сочетание. Это позиционирует наше топологическое устройство как захватывающую новую опцию в сенсорной инженерии».
Чрезвычайно прочный и сверхточный
Использование топологического скин-эффекта позволяет создавать новые типы высокопроизводительных электронных квантовых устройств, которые также могут быть невероятно малыми. «Наше топологическое квантовое устройство имеет диаметр около 0,1 миллиметра, и его можно легко уменьшить еще больше», — рассказывает ван ден Бринк. Пионерский аспект этого достижения команды физиков из Дрездена и Вюрцбурга заключается в том, что они первыми реализовали топологический скин-эффект на микроскопическом уровне в полупроводниковом материале. Это квантовое явление было впервые продемонстрировано на макроскопическом уровне три года назад — но только в искусственном метаматериале, а не в природном. Таким образом, это первый случай, когда было разработано крошечное топологическое квантовое устройство на основе полупроводника, которое является одновременно очень прочным и сверхчувствительным.
Читайте также: Microsoft открыла новый материал, который заменит обычные аккумуляторы
«В нашем квантовом устройстве зависимость ток-напряжение защищена топологическим скин-эффектом, поскольку электроны ограничены краем. Даже в случае наличия примесей в полупроводниковом материале поток тока остается стабильным», — объясняет ван ден Бринк. Он продолжает: «Более того, контакты могут обнаруживать даже малейшие колебания тока или напряжения. Это делает топологическое квантовое устройство чрезвычайно пригодным для создания высокоточных датчиков и усилителей с ничтожно малыми диаметрами».
Инновационные эксперименты ведут к открытиям
Успех был достигнут благодаря творческому расположению материалов и контактов на полупроводниковом устройстве AlGaAs, индуцируя топологический эффект в условиях сверхнизких температур и сильного магнитного поля. «Мы действительно добились топологического скин-эффекта в устройстве», — объясняет ван ден Бринк. Команда физиков использовала двумерную полупроводниковую структуру. Контакты были расположены таким образом, что электрическое сопротивление можно было измерить на краях контакта, непосредственно проявляя топологический эффект.
Объединенные исследования в разных местах
С 2019 года ct.qmat исследует топологические квантовые материалы в Вюрцбурге и Дрездене, изучая их чрезвычайное поведение в экстремальных условиях, таких как сверхнизкие температуры, высокое давление или сильные магнитные поля.
Недавний прорыв также является результатом длительного сотрудничества между учеными двух локаций кластера. Новый квантовый прибор, задуманный в IFW, был создан совместными усилиями физиков-теоретиков из Вюрцбургского университета, а также теоретических и экспериментальных исследователей из Дрездена. После производства во Франции устройство было протестировано в Дрездене. Сейчас Йерун ван ден Бринк и его коллеги занимаются дальнейшим изучением этого явления, чтобы использовать его для будущих технологических инноваций.
Ознакомьтесь с другими популярными материалами:
Создана беспроводная зарядка, которую можно имплантировать в тело
Ученые создали синаптический транзистор, имитирующий человеческий мозг
Ученые придумали, как предотвратить взрывы аккумуляторов
Источник: scitechdaily
