Напівпровідникові прилади – це невеликі компоненти, які керують рухом електронів у сучасних електронних гаджетах. Вони необхідні для живлення широкого спектру високотехнологічних продуктів, включаючи мобільні телефони, ноутбуки та автомобільні датчики, а також найсучасніші медичні прилади. Однак наявність матеріальних домішок або коливання температури можуть втручатися в потік електронів, спричиняючи нестабільність
Фото: freepik.com
Фізики-теоретики та фізики-експериментатори з Вюрцбурзько-Дрезденського кластеру передового досвіду ct.qmat – Складність і топологія у квантовій матерії розробили напівпровідниковий пристрій з арсеніду алюмінію-галію-арсеніду (AlGaAs). Потік електронів у цьому приладі, зазвичай чутливий до перешкод, захищений топологічним квантовим явищем. Це революційне дослідження нещодавно було детально описано в авторитетному журналі Nature Physics.
Читайте також: Microsoft відкрила новий матеріал, який замінить звичайні акумулятори
“Завдяки топологічному скін-ефекту всі струми між різними контактами квантового напівпровідника не піддаються впливу домішок або інших зовнішніх збурень. Це робить топологічні пристрої все більш привабливими для напівпровідникової промисловості. Вони усувають необхідність у надзвичайно високих рівнях чистоти матеріалів, які сьогодні підвищують витрати на виробництво електроніки”, – пояснює професор Йерун ван ден Брінк, директор Інституту теоретичної фізики твердого тіла в Інституті досліджень твердого тіла і матеріалів ім. Лейбніца в Дрездені (IFW) і головний дослідник ct.qmat.
Топологічні квантові матеріали, відомі своєю винятковою міцністю, ідеально підходять для енергоємних застосувань. “Наш квантовий напівпровідник є одночасно стабільним і водночас високоточним – рідкісне поєднання. Це позиціонує наш топологічний пристрій як захоплюючу нову опцію в сенсорній інженерії”.
Надзвичайно міцний і надточний
Використання топологічного скін-ефекту дозволяє створювати нові типи високопродуктивних електронних квантових пристроїв, які також можуть бути неймовірно малими.
“Наш топологічний квантовий пристрій має діаметр близько 0,1 міліметра, і його можна легко зменшити ще більше”, – розповідає ван ден Брінк.
Піонерський аспект цього досягнення команди фізиків з Дрездена і Вюрцбурга полягає в тому, що вони першими реалізували топологічний скін-ефект на мікроскопічному рівні в напівпровідниковому матеріалі. Це квантове явище було вперше продемонстровано на макроскопічному рівні три роки тому – але тільки в штучному метаматеріалі, а не в природному. Таким чином, це перший випадок, коли було розроблено крихітний топологічний квантовий пристрій на основі напівпровідника, який є одночасно дуже міцним і надчутливим.
Вас може зацікавити: Створено акумулятор, який заряджається за лічені хвилини
“У нашому квантовому пристрої залежність струм-напруга захищена топологічним скін-ефектом, оскільки електрони обмежені краєм. Навіть у разі наявності домішок у напівпровідниковому матеріалі потік струму залишається стабільним”, – пояснює ван ден Брінк. Він продовжує: “Більше того, контакти можуть виявляти навіть найменші коливання струму або напруги. Це робить топологічний квантовий пристрій надзвичайно придатним для створення високоточних датчиків і підсилювачів з мізерно малими діаметрами”.
Інноваційні експерименти ведуть до відкриттів
Успіх був досягнутий завдяки творчому розташуванню матеріалів і контактів на напівпровідниковому пристрої AlGaAs, індукуючи топологічний ефект в умовах наднизьких температур і сильного магнітного поля. “Ми дійсно домоглися топологічного скін-ефекту в пристрої”, – пояснює ван ден Брінк. Команда фізиків використовувала двовимірну напівпровідникову структуру. Контакти були розташовані таким чином, що електричний опір можна було виміряти на краях контакту, безпосередньо виявляючи топологічний ефект.
Об’єднані дослідження в різних місцях
З 2019 року ct.qmat досліджує топологічні квантові матеріали у Вюрцбурзі та Дрездені, вивчаючи їхню надзвичайну поведінку в екстремальних умовах, таких як наднизькі температури, високий тиск або сильні магнітні поля.
Нещодавній прорив також є результатом тривалої співпраці між науковцями двох локацій кластеру. Новий квантовий прилад, задуманий в IFW, був створений спільними зусиллями фізиків-теоретиків з Вюрцбурзького університету, а також теоретичних і експериментальних дослідників з Дрездена. Після виробництва у Франції пристрій був протестований у Дрездені. Зараз Йерун ван ден Брінк та його колеги займаються подальшим вивченням цього явища, щоб використати його для майбутніх технологічних інновацій.
Ознайомтесь з іншими популярними матеріалами:
Створено бездротову зарядку, яку можна імплантувати в тіло
Вчені створили синаптичний транзистор, який імітує людський мозок
Вчені придумали, як запобігти вибухам акумуляторів
Джерело: scitechdaily
