Как учат в школе, теплоемкостью предмета называют тепло, необходимое для нагрева его на единицу температуры. Если для измерения теплоемкости макроскопических предметов используется прибор калориметр, то измерить способность к нагреву микро- или наноскопических объектов куда сложнее: ни один калориметр не сможет зафиксировать мельчайшие количества поглощенной или выделяемой ими теплоты.
Между тем задача измерить теплоемкость так называемых двумерных плоских систем, толщина которых составляет нанометры, крайне важна. Такие системы встречаются в полупроводниковых и оксидных гетероструктурах. Так называют «слоистые» структуры, состоящие из нескольких различных по составу полупроводников, за разработку которых российский физик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию.
Хороший пример двумерных систем — графен, за открытие которого другая Нобелевская премия была присуждена выходцам из России Андрею Гейму и Константину Новоселову.
Физики, работающие под руководством Владимира Пудалова из Физического института РАН, догадались, как определить теплоемкость таких систем, измерив связанную с ней величину — энтропию, меру неупорядоченности. Соответствующая публикация вышла в журнале Nature Communications (импакт-фактор 11,47). Среди авторов работы также ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) и Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау.
«Энтропию мы измерили способом, который никто раньше никогда не применял — измеряя ток перезарядки нашей двумерной структуры», — рассказал участник проекта Александр Кунцевич «Газете.Ru».
В ходе эксперимента в криостат, находящийся при температуре жидкого гелия (несколько Кельвинов), помещалась ячейка с исследуемым объектом — полевым транзистором на основе полупроводниковой гетероструктуры, в которой на границе полупроводников образуется двумерная электронная система. Образец был выполнен в виде конденсатора, одной из обкладок которого является двумерная система, а второй — металлический электрод. При изменении температуры ячейки с одной обкладки конденсатора на другую начинает течь ток порядка 10–15 А, который пропорционален искомой энтропии системы. «Эта работа полностью российская, хотя исследованиями термодинамических свойств двумерных систем занимаются десятки групп в мире», — говорит Кунцевич. Измерения показали, что теплоемкость изученного образца площадью 4 кв. мм при температуре 2,5°К совпала с предсказаниями теории и оказалась равна 4*10–14 Дж/К.
Иначе говоря, для нагревания двумерной системы нанометровой толщины на 1°К требуется ничтожная энергия — 4*10–14 Дж. Чтобы представить себе эту величину, ее удобно сравнить с теплоемкостью каких-нибудь микроскопических объектов.
«Теплоемкость одного эритроцита диаметром 8 мкм составляет 1,7*10–12 Дж/K (если считать, что эритроцит состоит из воды). Теплоемкость исследованной нами системы в 50 раз меньше, а разрешающая способность метода еще в 20 раз выше, то есть имеется возможность измерять теплоемкости электронных систем в 1 тыс. раз меньшие, чем теплоемкость эритроцита, — подсчитал Кунцевич. — Инфузория-туфелька размером в 15 раз больше эритроцита имеет теплоемкость соответственно в 3 тыс. раз больше.
А значит, наш метод может различить одну трехмиллионную от теплоемкости инфузории».
Знание теплоемкости, а еще лучше, знание методов ее определения для конкретных двумерных систем — не просто забава физиков. Многие современные функциональные материалы, как, например, высокотемпературные сверхпроводники или узлы элементной базы обычной полупроводниковой или графеновой электроники, содержат двумерную систему как строительный блок. «Чтобы хорошо управлять свойствами материалов, необходимо эти свойства уметь точно измерять», — пояснил ученый.
Группа работает по гранту Российского научного фонда, который выделен на изучение особого класса веществ, называемых топологическими изоляторами (ТИ), и создание полевого транзистора на их основе. От большинства соединений ТИ отличаются тем, что в их толще нет свободных электронов, и потому внутри себя они ток не проводят, но токи (т.н. топологические) текут по поверхности вещества. Топологические свойства некоторых полупроводников (халькогенидов висмута, ртути, сурьмы) были впервые предсказаны теоретически еще в 80-е годы советскими физиками Борисом Волковым и Олегом Панкратовым (ФИАН). Сегодня пленки и кристаллы ТИ выращиваются в сотнях лабораторий мира, в том числе в ФИАНе. Главной проблемой в их выращивании остаются примеси, из-за которых часть тока все-таки течет внутри образца.
Необычные свойства таких соединений, например способность превращать спиновые токи в электрические, обещают найти широкое применение в разных областях техники, в первую очередь в разнообразных детекторах. Кроме того, если будет создан хороший топологический изолятор, токи в нем будут сохранять спин и не должны рассеиваться. Это даст в будущем возможность создавать процессоры с огромной частотой, которая не будет ограничена потерями тепла из-за электрического сопротивления.
Другое возможное применение топологических изоляторов — элементная база для другого компьютера будущего — квантового.
В ФИАНе в рамках гранта РНФ новые пленки топологических изоляторов выращивают на установке молекулярно-лучевой эпитаксии, закупленной еще в 1989 году и с тех пор полностью переделанной. Ранее установка использовалась для выращивания лазерных гетероструктур инфракрасного диапазона на основе халькогенидов свинца — для биомедицинских применений. Сейчас, с появлением квантово-каскадных лазеров, это направление стало неактуальным.
«Конечно, перед нами остро стоит проблема материальной базы. Но советские и российские физики всегда отличались тем, что могли что-то сделать, не посадив, как китайцы, 100 человек за 10 новых установок. Мы всегда старались придумать что-то при помощи палочки и веревочки. Наша ростовая установка довольно проста, самое ценное в ней — люди, которые на ней работают, и процессы, отлаженные на ней. И у нас есть идеи, как на простой установке получить хорошие пленки», — пояснил Кунцевич, отметив, что цена новой установки эпитаксии составляет миллионы долларов.