California Riverside’i ülikooli teadlased on avastanud viisi, kuidas juhtida elektrivoolu läbipääsu kristalsest ränist – ühest olulisemast materjalist kaasaegses elektroonikas.
Nad kasutasid elektronide kvantkäitumist ning näitasid, et atomite paigutuse väga täpne muutmine ränikristallis võimaldab juhtivust sisuliselt sisse või välja lülitada. See läbimurre võib sillutada teed veelgi väiksematele, kiirematele ja energiasäästlikumatele seadmetele.
Kvantkäitumine: elektronid kui lained
Kui elektronid liiguvad üliväikestes mõõtmetes, ei käitu nad enam nagu tavalised osakesed, vaid nagu lained. Just see kvantomadus võimaldab nähtust, mida nimetatakse destruktiivseks interferentsiks.
See on sarnane mürasummutusega kõrvaklappides – helilained võivad üksteist „tühistada”. Samal põhimõttel võivad ka elektronlained üksteist välja kustutada, blokeerides elektrivoolu. Sellist efekti saab kontrollida, kui kujundada räni aatomstruktuur äärmiselt sümmeetriliseks.
Uurimist juhtinud keemiaprofessor Tim Su rõhutab, et sümmeetrilised ränistruktuurid võivad elektronide liikumise „maha keerata” – ja mis kõige olulisem, seda saab tahtlikult juhtida. Nii on võimalik elektroonikakomponente juhtida mitte ainult traditsiooniliste meetoditega, vaid ka molekulaarsel täpsusastmel.
Traditsioonilised meetodid on jõudmas piirini
Tehnoloogiatööstus on juba mõnda aega seisnud silmitsi sellega, et mikroskeeme ei saa lõputult vähendada. Seni on peamiselt kasutatud kahte võtet: räniplaadi sisse söövitati mikroskoopilisi juhtivuskanaleid või muudeti räni omadusi, lisades teisi elemente (dopimine).
Need meetodid ei suuda aga enam tõhusalt toime tulla kvantnähtustega, mis hakkavad väga väikestes struktuurides domineerima. Just selles punktis avanebki uus lähenemine.
Su töörühm ei lähtunud ränistruktuuride loomisest „ülalt alla”, vaid ehitas räni alt üles, molekul molekuli haaval. Selline lähenemine annab peaaegu täieliku kontrolli aatomite täpse paigutuse üle ja võimaldab täpselt suunata, kuidas elektronid liiguvad.
Väljakutsed muutuvad võimalusteks
Räni – teine kõige levinum element Maa koores – on olnud tänapäevase elektroonika alustala juba aastakümneid. Mida väiksemaks muutuvad seadmed, seda olulisemaks saavad kvantnähtused. Üks neist on elektronide võime tungida läbi isoleerivate kihtide, mida on kaua peetud pigem probleemiks.
Nüüd pakuvad teadlased välja, et selle asemel, et püüda neid efekte iga hinna eest vältida, tuleks neid käsitleda uute tööriistadena. Su sõnul näitab nende töö, et ränis esinev molekulaarne sümmeetria tekitab häireid, mis võivad kas takistada või lubada elektronide liikumist. Seda „lülitit” saab sisse või välja keerata lihtsalt muutes, kuidas elektroodid molekuliga ühenduvad.
Tuleviku rakendused elektroonikas ja energias
Kvantinterferents ise ei ole uus idee, kuid see on üks esimesi katseid rakendada seda reaalses, kolmemõõtmelises, teemantstruktuuriga ränis – täpselt sellises, mida juba kasutatakse kommertsiaalsetes kiipides. See tähendab, et avastus ei nõua täiesti uute materjalide leiutamist, vaid võib sobituda olemasolevasse tehnoloogilisse ökosüsteemi.
Uus meetod ei aita üksnes luua äärmiselt väikeseid elektroonikalüliteid, vaid seda saab kasutada ka termogeneraatorites – seadmetes, mis muudavad liigse soojuse elektriks. Lisaks võivad avanevad võimalused olla olulised ka kvantarvutites, kus on vaja ülitäpseid ja stabiilseid komponente.
Tööd kokku võttes rõhutab professor Su, et tegemist ei ole pelgalt väikese täiustusega, vaid põhimõtteliselt uue viisiga, kuidas räni mõista ja juhtida. See suund võib oluliselt muuta arusaama, mida on võimalik saavutada selle näiliselt tuttava, ent endiselt ammendamata potentsiaaliga materjaliga.
