По идее, надо бы как-то охлаждать внутренности всех этих пожирателей вашего времени. Но исследователи из Университета штата Нью-Йорк в Буффало (США) во главе с Джонатаном Бёрдом (Jonathan Bird) пошли в прямо противоположном направлении. Они создали полупроводниковое наноразмерное устройство из кристаллов арсенида галлия, после чего пропустили через него ток сравнительно высокого напряжения. Случилось ожидаемое: количество тепла, выделяемого устройством при работе, резко выросло.
Зачем же эти господа издевались над электроникой? Дело в том, что перегрев вместо деградации устройства вызвал его переход в квантовое состояние, защищающее его от эффектов перегрева и превратившее разработку в надёжный канал для электрического тока, несмотря на серьёзный нагрев.
Как такое возможно? Г-н Бёрд проводит аналогию с Ниагарским водопадом: «Вода, или энергия, поступает из внешнего источника — скажем, Великих озёр. Затем она устремляется в узкий канал (р. Ниагара) и в итоге низвергается через водопад. А внизу падающая вода рассеивает свою энергию, но, в отличие от водопада, рассеиваемая в микросхеме энергия затем вновь начинает циркулировать по ней в виде тепла, влияя на то, как именно тепло воздействует (или, в данном случае, не воздействует) на работу сети».
«Засовывание» электрического тока в узкий канал хотя и приводит к росту тепловыделения конкретного нанотранзистора, но не вызывает падения проводимости квантового точечного контакта в необходимом диапазоне температур. (Иллюстрация UB.)
Ток в устройстве «состоит» из электронов, которые спонтанно организуются в узкую проводящую нить, идущую через нанопроводник. И если тепло будет влиять только на окрестности этой нити, но не на неё саму, влияние роста температуры на проводимость окажется близко к нулю.
Используемое устройство — галлий-арсенидный квантовый точечный контакт — испытывает электрон-фононное рассеивание, последствия которого мы воспринимаем как нагрев.
Когда на квантовый точечный контакт (КТК) подают наносекундные импульсы тока, возникает экстремально мощное электрон-фононное рассевание, которое, в свою очередь, рождает притяжение между электронами в КТК, через который идёт ток. Таким образом, электроны спонтанно образуют узкую нить, в которой ток идёт, несмотря на нагрев, а электронные состояния полупроводника, ответственные за транспорт электронов, ренормализуются.
Самое низкоэнергетическое из этих состояний образует поддиапазон, отделённый от остальных запрещённой зоной, которая шире, чем напряжение источника тока, а следовательно, не может быть преодолена, надёжно изолируя поддиапазон.
Сопротивление в проведённом эксперименте перестало зависеть от нагрева и в широком спектре напряжений оставалось сравнительно постоянным, причём для температур от 4,2 до 300 К (в перспективе этот диапазон, по словам учёных, может быть заметно расширен).
Дальнейшая разработка этого направления, полагают исследователи, поможет создать наноэлектронику, весьма устойчивую к паразитному тепловыделению.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Nanotechnology.
Подготовлено по материалам Университета штата Нью-Йорк в Буффало.
