Наверх

Россиянами созданы новые уникальные материалы

Самые яркие открытия нового, ХХI века – это изобретение графена и топологических изоляторов, материалов с интересными свойствами и уникальными электронными характеристиками.

Самые яркие открытия нового, ХХI века – это изобретение графена и топологических изоляторов, материалов с интересными свойствами и уникальными электронными характеристиками. Изобретатели графена Андре Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике. Свойства графена и топологических изоляторов обусловлены процессами, происходящими в двумерной атомной структуре. За этими материалами будущее высоких технологий.

Графен двумерен, а топологический изолятор – это трехмерное тело, все самое интересное у которого происходит на поверхности. Наглядно и очень упрощённо топологический изолятор можно представить в виде куска дерева, покрытого сверху металлом: дерево не проводит электричество, в то время как металл его хорошо проводит. Но только речь идёт об образце одного и того же материала с разными свойствами в объёме и в поверхностном слое. 

Перспективы здесь очень большие: в целом основанные на ТИ устройства будут обладать более высокой скоростью выполнения операций, потреблять значительно меньше энергии и отличаться своими размерами в меньшую сторону от приборов традиционной электроники 

Особые свойства верхнего покрытия в топологических изоляторах связаны с наличием поверхностных металлических состояний, в которых электроны «топологически защищены» от обратного рассеяния на дефектах (загрязнениях, неоднородностях или других несовершенствах поверхности материала). Ещё одной особенностью топологического изолятора является то, что его проводящая поверхность – это не просто обычный металл. Кроме зарядового тока на ней возможно протекание спин-поляризованного тока, при котором происходит перенос не заряда (как в электрическом токе), а спина – квантовой характеристики частицы, которую можно представить как вращающийся волчок со строго определённым направлением оси вращения. На поверхности топологического изолятора направление движения электрона и ориентация его спина жёстко связаны и изменяются только согласованно друг с другом. Поэтому электроны испытывают очень небольшое, и даже нулевое сопротивление среды (как в сверхпроводниках) в процессе движения.

Свойства поверхности топологического изолятора могут устойчиво сохраняться вплоть до высоких температур, что означает возможность их применения в различных практических приложениях микроэлектроники и компьютерной техники. Выполняется требование повышения мощности компьютеров и одновременного уменьшения энергозатрат. Квантовый компьютер пока является гипотетическим устройством, возможность построения которого как раз и зависит от успехов физиков в разработке новых материалов. 

Какие устройства могут использовать преимущества новых материалов? Например, пропуская небольшой ток, можно считывать биты, хранящиеся в магнитном слое на поверхности топологического изолятора. А при подаче более сильного напряжения можно переключить состояние магнитных битов, таким образом, перезаписывая содержимое с большой надежностью хранения информации. Топологические изоляторы работают очень надёжно в реальных условиях, сохраняя свои свойства даже тогда, когда материал засорён инородными включениями или попадает в электромагнитное поле. Отсюда следует, что когда технологии работают в области наномасштабов, крайне важными и заманчивыми выглядят свойства топологических изоляторов как материалов, обеспечивающих ничем не нарушаемые и стабильные каналы проводимости и выгодно отличаться своими размерами от приборов традиционной электроники.

Исследователи нашли способы управлять проводящим состоянием поверхности, изменяя электрическое поле и покрывая тонкой плёнкой обычный изолятор; это позволяет получить основанный на гетероструктурах топологический изолятор с заранее заданными свойствами поверхности.

В России исследования в этом направлении ведутся в лаборатории наноструктурных поверхностей и покрытий Томского государственного университета с 2010 г. Одно из главных направлений работы лаборатории – теоретические и экспериментальные проблемы спинтроники и топологических изоляторов. В этой области исследований практические достижения невозможны без теоретических фундаментальных проработок. Предварительное математическое моделирование, вскрытие закономерностей поведения материалов позволяют предсказывать новые классы топологических изоляторов, прогнозировать их свойства и создавать способы управления этими свойствами.

 

Евгений Широков