Превращение металла в диэлектрик

03.05.2017

Исследователи из Высшей школы экономики и Наноцентра Ювяскуля (Финляндия) впервые экспериментально продемонстрировали квантовый размерный эффект в металлическом нанопроводе. Обнаруженный эффект универсален и должен приниматься во внимание при проектировании наноэлектронных систем сверхмалых размеров.

В исследовании показано, как электрическое сопротивление металлического нанопровода из висмута в процессе уменьшения его диаметра немонотонно меняется и затем резко возрастает, переводя объект в диэлектрическое (изолирующее) состояние. По мнению ученых, квантово-размерные эффекты связаны с фундаментальным явлением - квантованием энергетического спектра электронов. И наблюдать его можно только в объектах исключительно малых размеров.

"Носителем заряда является, как правило, электрон и четкое его положение определить невозможно, однако мы знаем вероятность его нахождения в определенной области. Эта вероятность описывается квантовомеханической волновой функцией, а у каждой волны есть свой характерный масштаб - длина волны, - поясняет один из соавторов исследования. - Так вот, если мы изготовим проводник, размеры которого будут сравнимы с длиной этой волны, произойдет качественное изменение свойств системы. В таком случае говорят о квантовании энергетических уровней, то есть расщеплении непрерывного спектра на четко определенные уровни. Кроме этого, есть так называемый, уровень Ферми, который отделяет заполненные энергетические состояния от незаполненных. Так вот, при уменьшении размеров проводника энергетические уровни начинают сдвигаться относительно этого порогового значения, и в момент, когда последний заполненный уровень пересекает уровень Ферми, образец переходит из металлического в диэлектрическое состояние. Это и есть суть квантового размерного эффекта в нашем случае".

В качестве "испытуемых" были выбраны нанопровода, так как провод является основой любой электрической цепи, также для примера исследовалась тонкая пленка. Есть несколько методов изучения квантовых размерных эффектов (КРЭ). В первом - последовательно уменьшается размер одного и того же образца; во втором - используют несколько образцов разного размера.

Исследователи выбрали первый, так как, по их мнению, он соответствовал более "чистому" эксперименту. Основной проблемой при этом стала задача уменьшить структуру так, чтобы не повредить ее. Уменьшались размеры наноструктур травлением направленным пучком ионов инертного газа (аргона), тем самым "стачивая" поверхность. Был найден оптимальный режим обработки, при котором шероховатость поверхности составляла примерно 1 нанометр (около двух атомных слоев). При этом самый маленький диаметр провода составлял около 40 нм, а стартовый диаметр - порядка 300 нм. Сами образцы изготавливались при использовании достаточно стандартного процесса электроннолучевой литографии и направленного вакуумного напыления. После изготовления образцов и тщательной их проверки, лучшие отбирались для измерений. Затем многократно повторялся цикл ионного травления и измерений до того момента, когда структура утончалась до такого предела, что просто выходила из строя (т.е. рвалась).

"Главным результатом работы стало то, что этот заветный переход металл-диэлектрик существует не только в расчетах теоретиков, но и может экспериментально наблюдаться. В более ранних работах такой результат был достигнут на тонких пленках, также были попытки сделать это и в нанопроводах, но не слишком успешные. Так что можно сказать, что наша работа - одна из первых, в которой экспериментально продемонстрирован квантовый размерный эффект в металлическом проводнике. Квантовый размерный эффект - универсальное явление, которое должно присутствовать абсолютно в любых системах достаточно малых размеров. Таким образом, наши исследования позволяют определить фундаментальные ограничения на миниатюризацию элементов (нано)электронных цепей", - отмечают ученые.

<< Назад: Общее внимание синхронизирует мозги 04.05.2017

>> Вперед: Искусственный ледник против глобального потепления 03.05.2017

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Найдена химическая причина возрастных изменений запаха кожи 14.09.2026

Запах человеческого тела меняется на протяжении всей жизни, и особенно заметные изменения могут происходить в пожилом возрасте. Речь идет не только о привычном запахе пота или особенностях гигиены: старение сопровождается целым комплексом биохимических процессов в коже, способных влиять на ее естественный запах. Ученые обнаружили одно из веществ, которое связывают с характерным ароматом, часто называемым "запахом старости". Исследователи установили, что важную роль в этом процессе играет 2-ноненаль - органическое соединение из группы ненасыщенных жирных альдегидов. Это вещество обладает характерным запахом, который нередко описывают как сочетание прогорклого масла и затхлого картона. Его количество в коже увеличивается по мере старения организма, поэтому концентрация 2-ноненаля рассматривается специалистами как одна из биохимических причин возрастного изменения запаха. По словам дерматологов, заметные изменения начинают становиться более вероятными после 40 лет. Доктор Сонал Чоуд ...>>

Квантовая батарея с мгновенной зарядкой и кратким хранением 14.09.2026

Аккумуляторы постепенно совершенствуются, однако между скоростью зарядки и способностью долго хранить энергию по-прежнему существует заметный компромисс. Исследователи, работающие в области квантовой физики, ищут принципиально иные способы накопления энергии. Одно из таких направлений связано с квантовыми батареями, использующими необычные свойства света и материи. Новый прототип продемонстрировал впечатляющую скорость зарядки, хотя до полноценного практического устройства ему еще далеко. Разработанная специалистами система способна получать энергию за фемтосекунды - квадриллионные доли секунды. Для сравнения, одна фемтосекунда составляет 10^-15 секунды. После завершения зарядки прототип удерживает накопленную энергию в течение наносекунд, то есть миллиардных долей секунды. Это примерно в миллион раз дольше самой зарядки. Однако столь эффектные показатели времени пока не означают, что устройство способно заменить обычный аккумулятор: запас энергии остается крайне небольшим. В осн ...>>

Загрязнение воздуха ослабляет ледники Гималаев 13.09.2026

Ледники высокогорных районов долгое время считались одними из наиболее удаленных от человеческой деятельности природных объектов. Однако даже эти гигантские массивы льда не защищены от загрязнения атмосферы. Частицы сажи, минеральной пыли и других веществ переносятся на большие расстояния, оседают на снегу и льду и изменяют их способность отражать солнечную энергию. На фоне глобального потепления подобное воздействие способно ускорять таяние ледников и усиливать связанные с ним природные риски. Особое внимание специалистов привлекают Гималаи, где ледники играют важную роль в формировании речного стока и поддержании водных ресурсов. Один из наиболее показательных регионов - Лангтанг в Непале. Несмотря на удаленность и живописный высокогорный ландшафт, он расположен по направлению переноса воздушных масс от одних из наиболее загрязненных промышленных районов Южной Азии. Недавний обвал ледника в этой местности сопровождался разрушительными внезапными паводками. При этом точная причина ...>>

Монитор AOC Q27U4D 13.09.2026

Компания AOC вывела на рынок свою новую модель компьютерного монитора - Q27U4D. Основой новинки стала 26,5-дюймовая панель QD-OLED с разрешением QHD. Технология квантовых точек позволяет расширить цветовой охват, а органические светодиоды обеспечивают высокую контрастность и глубокий черный цвет. Частота обновления экрана достигает 144 Гц, благодаря чему движения в играх и динамических сценах видео выглядят плавнее. Дополнительный комфорт при работе с изображением обеспечивает покрытие AGLR, предназначенное для уменьшения бликов и отражений окружающего пространства. Важным преимуществом монитора специалисты называют его цветовые характеристики. AOC Q27U4D охватывает 100% пространства sRGB и 99% DCI-P3. При работе в диапазоне sRGB заявленная цветовая погрешность ?E составляет менее 1, что свидетельствует о высокой точности воспроизведения оттенков. Такие параметры особенно востребованы у дизайнеров, фотографов и других специалистов, которым необходимо контролировать соответствие ...>>

Связь между кофе, жиром и половыми гормонами 12.09.2026

Кофе давно стал привычной частью повседневной жизни миллионов людей. Его чаще всего связывают с повышением бодрости и улучшением концентрации, однако воздействие этого напитка на организм значительно сложнее. В последние годы специалисты все чаще изучают возможные связи между употреблением кофе, обменом веществ и гормональной регуляцией. Новое исследование ученых из Финляндии позволило обнаружить несколько любопытных закономерностей, касающихся жировой ткани, мышечной массы и половых гормонов. Исследователи из Университета Оулу проанализировали данные 2264 человек в возрасте 46 лет. Участники отличались по привычному количеству потребляемого кофе, и ученые сопоставили эти сведения с показателями состава тела, обмена глюкозы и инсулина, а также концентрациями половых гормонов. Полученные результаты указывают на связь между более высоким употреблением кофе и некоторыми особенностями метаболического профиля. При этом специалисты подчеркивают, что обнаруженные закономерности еще не дока ...>>

Случайная новость из Архива Фотоны вместо электронов для революционных процессоров 18.01.2021 Современные вычислительные возможности классических процессорных архитектур себя исчерпали, уверены в IBM. Более того, они стали препятствием на пути развития систем машинного обучения и искусственного интеллекта. Прорыв видится в области развития кремниевой фотоники и вычислений в памяти, когда данные обрабатываются там, где они хранятся. И сегодня в IBM доказали, что они нащупали путь к электронике будущего, в которой вместо электронов по цепям полетят фотоны. Специалисты IBM совместно с учеными из нескольких стран разработали и реализовали оптическую вычислительную систему для ускорения работы нейронных сетей. В частности, в компании создали "фотонное тензорное ядро", которое способно выполнять так называемую операцию свертки - математическую операцию над двумя функциями, которая выводит третью функцию - за один временной шаг. Обычно это простое сложение или умножение, но для обработки одного фрагмента данных требуются миллиарды таких операций, поэтому низкие задержки и малое потребление - это жизненно необходимые требования к таким системам. Выполнение операций над данными в памяти - это дополнительная возможность сэкономить как на потреблении, так и на задержках, поскольку данные не нужно перегонять в процессор и обратно. В разработке IBM данные хранились и обрабатывались в ячейках памяти на основе памяти с фазовым переходом. Следующий шаг к ускорению обработки данных - это мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM). Проще говоря, на блок памяти данные поступали в виде света с разной длиной волны. Подобный подход позволяет как расширить канал передачи данных (частотное расширение), так и проводить операции над фотонным потоком данных параллельно. Там, где электроны текли в цепи последовательно, фотонные цепи допускают параллельное течение данных и одновременную обработку каждого из потоков. Это колоссальное ускорение обработки данных! В качестве эксперимента была создана матрица 9 х 4 с максимум четырьмя входными векторами на временной шаг, каждый из которых передавался в виде светового излучения со своей длиной волны. Для операций MAC (умножение-накопление) матрица показала производительность 2 TOPS/с на скорости модуляции 14 ГГц. В IBM рассчитывают, что предложенная схемотехника поможет достичь производительности фотонных схем с вычислениями в памяти значений на уровне PetaMAC/с на мм2 (тысячи триллионов операций MAC), что на три порядка выше современных значений на уровне 1 TOPS/мм2 для текущей электроники.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2026