В последние десятилетия технологии микропроцессоров и электронных компонентов непрерывно совершенствуются, позволяя создавать устройства с всё меньшими и меньшими размерами элементов. Однако традиционные методы, основанные на литье, травлении и легировании кремния, достигли практически своих физических и технологических пределов из-за квантовых эффектов, которые проявляются при экстремальном уменьшении размеров. Именно на этом фоне очень важна новая научная работа, проведенная группой исследователей из Университета Калифорнии, Риверсайд, которая предлагает инновационный способ контроля электричества на самом маленьком, молекулярном уровне кремния. Ключевым открытием стало то, что электроны в структуре кремния могут вести себя не как частицы, а как волны – явление, характерное для квантовой механики, которое позволяет реализовать эффекты интерференции и таким образом управлять током. Ученые показали, что благодаря высокой симметрии молекулярных структур кремния возможно либо создавать условия для разрушительной интерференции – которая полностью подавляет прохождение электронов – либо, наоборот, позволять свободное движение электронам.
Этот процесс можно интерпретировать как переключение токов в электронных цепях в масштабе отдельных молекул, что открывает возможности создания молекулярных переключателей нового поколения. Суть одновременно проста и гениальна: в традиционных устройствах электрический ток регулируется разными способами, включая добавление примесей в кремний или вырезание тонких каналов, однако эти методы ограничены технологическими и физическими барьерами. Напротив, предложенный «снизу вверх» подход позволяет строить кристаллические структуры кремния с нужной симметрией изначально, тщательно управляя расположением каждого атома. Благодаря этому ученым удается контролировать поведение электронов путем изменения положения электродов, что приводит к переключению между проводящим и изолирующим состояниями. Такой механизм похож на работу шумоподавляющих наушников, которые создают противофазный звук, нейтрализующий внешние шумы.
В рассматриваемом случае кремнии структуры с высокой симметрией создают противофазные волны электронов, полностью подавляя их транспорт и тем самым отключая проводимость. Это по сути — молекулярный выключатель, созданный из самого распространенного полупроводникового материала. Раньше подобные эффекты не удавалось продемонстрировать в трехмерных структурах кремния типа алмаза, который лежит в основе всех современных чипов. Это открывает огромные перспективы для интеграции новых принципов управления электричеством в уже существующие технологические процессы производства микросхем. Таким образом, достижения группы Тим Су не только предлагают новый взгляд на возможности самого кремния, но и указывают путь к преодолению нынешних ограничений миниатюризации.
Управление электрическим током с помощью квантовой интерференции может стать основой для создания устройств, которые будут быстрее, меньше и энергии будут потреблять значительно меньше. Помимо перспектив в компьютерной индустрии, научная разработка может значительно продвинуть создание термоэлектрических генераторов — устройств, которые преобразуют тепловую энергию в электричество, что важно для повышения энергоэффективности и снижения потерь в системах. Кроме того, контролируемые квантовые эффекты в кремнии открывают новые горизонты для квантовых вычислений, что является одним из приоритетных направлений научно-технического прогресса нашего времени. Квантовые компьютеры обещают многократное превосходство над традиционными, и возможность создавать квантовые компоненты из привычных и широко доступных материалов – важный шаг на пути к их практическому внедрению. На сегодня мечты инженеров и ученых о бесконечной миниатюризации встречают множество препятствий, которые связаны с фундаментальными квантовыми закономерностями.
Однако открытие калифорнийских исследователей демонстрирует, что эти эффекты можно не подавлять и не обходить стороной, а использовать в своих целях, создавая принципиально новые способы контроля и управления потоками электронов. Это важный урок того, что наука нередко идет не прямым путем модернизации, а через переосмысление базовых понятий и создание новых технологических парадигм. Практически это тоже открывает новые возможности для разработчиков современного аппаратного обеспечения, позволяя создавать чипы с встроенными квантовыми переключателями и управлять электричеством посредством молекулярной структуры самой поверхности. Согласованность структуры и квантового состояния электронов становится инструментом для строительства целых цепей с уникальными характеристиками. Пока что речь идет о фундаментальных исследованиях и первых демонстрациях, но потенциал технологии уже привлекает внимание крупных компаний и научных центров по всему миру.
