Исследовательская группа из Института молекулярных наук (Institute for Molecular Science) японского Национального института естественных наук (National Institutes of Natural Sciences), возглавляемая профессором Хироши М. Ямамото (Prof. Hiroshi M. Yamamoto), разработала новый тип полевого транзистора, работающего за счет эффекта сверхпроводимости и который может быть включен или выключен при помощи освещения некоторых элементов его структуры. Данное достижение может послужить основой для создания новых высокоскоростных переключающих устройств, высокочувствительных оптических датчиков и других устройств, где требуется быстродействующая коммутация протекающего электрического тока.
Переключение сверхпроводимости
Напомним нашим читателям, что полевые транзисторы (Field-Effect Transistor, FET) являются базовыми переключающими устройствами, на основе которых создаются все нынешние цифровые схемы, включая и схемы процессоров, работающих в наших компьютерах и смартфонах. Совершенствованию этих транзисторов и улучшению их характеристик было посвящено множество исследований, проводимых за последние годы. Одним из направлений такого совершенствования является создание полевых транзисторов, работающих за счет эффекта высокотемпературной сверхпроводимости, которые наилучшим образом подходят для их использования в технологиях квантовых вычислений для обеспечения связи «призрачного» квантового мира с миром, в котором действуют законы классической физики.
Упомянутая выше исследовательская группа еще в 2013 году разработала сверхпроводящий полевой транзистор, основанный на органическом сверхпроводящем материале, имеющем неудобочитаемое и неудобопроизносимое название k-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br (k-Br). А недавно, взяв за основу результаты своих прошлых исследований, эти ученые изготовили опытные образцы подобных полевых транзисторов, которые можно включить или выключить при помощи луча света.
Структура полевого фототранзистора
Этого ученым удалось добиться заменой электрода затвора тонкой пленкой из специального фотохромного материала, спиропирана (spiropyran). Спиропиран — это органическая светочувствительная молекула, которая изменяет внутримолекулярную электрическую поляризацию при освещении ее фотонами ультрафиолетового света.
Освещение поверхности пленки условного «затвора» фототранзистора потоком слабого ультрафиолетового света привело к быстрому уменьшению сопротивления канала транзистора, который через некоторое время перешел в сверхпроводящее состояние. Этот эффект объясняется тем, что при освещении светом, в слое спиропирана за счет изменений электрической поляризации молекул начинают накапливаться особые носители электрического заряда и при накоплении их сверх определенного количества транзистор переходит в сверхпроводящее состояние. Выключается фототранзистор несколько иным путем, нежели это делают обычные транзисторы. Для этого недостаточно лишь убрать подсветку ультрафиолетовым светом, для этого требуется осветить транзистор светом видимого диапазона, который нарушит упорядоченную поляризацию молекул спиропирана.
Экспериментируя с созданными образцами полевых транзисторов, ученые обнаружили, что подобного эффекта в транзисторе можно добиться двумя путями, как за счет его освещения ультрафиолетовым светом, так и подачей электрического напряжения на управляющий электрод. Такая «многорежимность» созданного устройства объясняется комбинированием свойств двух органических материалов — спиропирана и BEDT-TTF.
Результаты данных исследований могут быть использованы для введения технологии «оптического переключения сверхпроводимости» в область производства высокоскоростных переключающих электронных приборов. «Сейчас требуется порядка 180 секунд для того, чтобы транзистор перешел в сверхпроводящее состояние под воздействием только одного света» — рассказывает профессор Ямамото, — «Но этим, при помощи комплекса дополнительных мер, можно управлять гораздо быстрее. И мы надеемся, что наша работа откроет дорогу абсолютно новому типу электронных приборов, которые смогут стать решением проблемы все увеличивающихся требований к мощности и быстродействию вычислительной техники».