В области движения электроны весьма походят на людей, и те и другие следуют по пути наименьшего сопротивления. В среде токопроводящего материала это означает то, что электроны движутся в направлении распространения электрического поля, источником которого является приложенный электрический потенциал. Тем не менее, электроны, как и некоторые люди, порой игнорируют правила. Это продемонстрировали ученые-физики из Массачусетского технологического института и Манчестерского университета, которые создали новый материал, основой которого стал графен, и в среде которого электроны могут двигаться под заданными углами по отношению к направлению приложенного электрического поля. Следует отметить, что такая возможность управления направлением движения электронов может использоваться для создания новых типов высокоэффективных транзисторов и других полупроводниковых устройств, благодаря появлению которых в электронике может произойти революция в буквальном смысле этого термина.
Следует напомнить нашим читателям,, что графен, форма углерода, кристаллическая решетка которого имеет одноатомную толщину, является превосходным электрическим проводником. Но ученые изменили правила перемещения электронов в таких проводниках, поместив поверх пленки графена пленку нитрида бора, материала условно одноатомной толщины, который еще называют «белым графеном». В результате у ученых получился некий материал, кристаллическая решетка которого состоит из выровненных и упорядоченных слоев различных наноматериалов, обладающих кардинально разными электрическими свойствами. Такая комбинация противоречивых свойств привела к тому, что электроны, перемещающиеся в среде «суперрешетки» сложного материала, обрели способность перемещаться перпендикулярно направлению электрического поля.
Эффект движения электронов под углом к электрическому полю известен и используется людьми уже достаточно давно. Только этот эффект, известный под названием эффекта Холла, возникает при воздействии на определенный материал магнитного поля. Но в данном случае, благодаря уловке с комбинацией противоречивых электрических свойств двух материалов, эффект «неправильного» движения электронов не требует какого-либо внешнего воздействия, работая за счет совершенно иных принципов.
Электроны, которые перемещаются через сложный материал, начинают вращаться, в результате чего их движение начинает «завихряться» под влиянием инерции вращения. И углом, под которым движутся электроны относительно направления электрического поля, можно достаточно точно управлять при помощи этого же самого электрического поля. При этом, когда угол отклонения движения электронов становится достаточно велик, возникает еще один удивительный эффект. В графене возникают два потока электронов, движущиеся в противоположных направлениях, Переносимые электрические заряды уравновешивают друг друга и суммарный ток становится равным нулю.
Проведенные эксперименты показали, что для переключения нового материала из «включенного» в «выключенное» состояние и назад требуется небольшое изменение приложенного электрического потенциала, всего порядка 0.14 Вольта. «Этот материал еще не является полным аналогом привычного нам транзистора» — пишут ученые, — «Но он демонстрирует чрезвычайно высокую чувствительность по отношению к потенциалу на управляющем электроде и это открывает огромные перспективы по использованию этого материала в электронике будущего. А оптимизация материала, которую мы намерены провести в ближайшее время, вероятно, позволит еще больше увеличить чувствительность нового материала к управляющему электрическому потенциалу».
Еще одной весьма интересной чертой сделанного открытия, которая имеет возможность стать главным открытием, является характер поведения электронов внутри нового материала. В графене электроны ведут себя подобно частицам, не имеющим массы, к примеру, подобно фотонам, что позволяет им перемещаться практически с неограниченной скоростью. Однако, в «суперрешетке» нового сложного материала электроны ведут себя подобно нейтрино, обретшим достаточно большую массу. Напомним, что нейтрино — это нейтральные частицы, которые движутся практически со скоростью света и почти не взаимодействуют с материей.
«Мы очень редко сталкиваемся с явлениями, в которых соединяются материаловедение, физика элементарных частиц, теория относительности, топология и другие области науки» — рассказывает Андрей Гейм, профессор из Манчестерского университета и лауреат Нобелевской премии по физики за открытие графена, — «У наблюдаемого вида поведения электронов в среде нового материала не имеется аналогов из физики элементарных частиц. А дальнейшие исследования в этом направлении могут дать ученым подсказки, которые расширят наше понимание устройства материи и Вселенной в целом».
С учетом всего вышесказанного и того значения, которое имеет для науки в целом сделанное открытие, оно, это открытие, по мнению некоторых ученых, вполне тянет на очередную Нобелевскую премию в области физики.
