Быстрые компьютеры белой массы

Из теллурида висмута можно сконструировать более скоростные процессоры

В ближайшем будущем в мире могут появиться компьютеры, работающие в тысячи раз быстрее нынешних. Совместные исследования китайских и американских ученых показали, что теллурид висмута обладает прекрасными свойствами, используя которые, можно получить новые более скоростные процессоры.

Современные электронные устройства, как известно, основаны на движении и собирании электронов для работы с информацией. Новой ступенью развития вычислительной техники должно стать повсеместное применение так называемых топологических изоляторов (спинтроников), где передача информации основана на использовании внутреннего момента вращения электрона, спина.

Эффект Холла

явление возникновения поперечной разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле.
Квантовый спиновый эффект Холла впервые был экспериментально обнаружен в тонких полупроводниковых пленках и выражается в дискретности проводимости и в появлении на боковых гранях образца спин-поляризованных электронов даже в отсутствие магнитного поля.

В областях, близких к поверхностям спинтроников, электроны перемещаются практически без сопротивления. Это происходит за счет квантового спинового эффекта Холла, а направление движения тока определяется направлением спина у электронов. Таким образом, при меньших затратах энергии можно добиваться большей эффективности движения электронов, чем в современных электронных устройствах.

Одной из проблем, препятствующей началу повсеместного использования спинтроников, является то, что для создания спинтронного устройства вещество должно сохранять магнитные свойства электронов при комнатной температуре. Тестируемые же полупроводники в большинстве своем обладали свойствами спинтроников при температуре порядка -200 градусов по Цельсию — температуре, недостижимой при создании вычислительных машин.<2>

Но оказалось, что сплав теллура и висмута (Bi₂Te₃) проявляет свойства спинтроника и при комнатной температуре.

Соответствующее предсказание сделал в своей теоретической работе сотрудник Стэнфордского университета Шоучен Чжан. Его коллеги Юлинь Чень, Чжи-Сунь Шень, а также ряд китайских и американских ученых провели комплексное экспериментальное исследование теллурида висмута и в целом подтвердили самые благоприятные прогнозы своего коллеги-теоретика. Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Фотоэлектронная спектроскопия

метод изучения строения вещества, основанный на измерении энергетических спектров электронов, вылетающих при фотоэлектронной эмиссии. Согласно закону сохранения энергии, сумма энергии связи вылетающего электрона (работы выхода) и его кинетическая энергии равна энергии падающего фотона h? (h - Планка постоянная, ? - частота падающего излучения).

По спектру электронов можно определить энергии связи электронов и их уровни энергии в исследуемом веществе. В фотоэлектронной спектроскопии применяются монохроматическое рентгеновское или ультрафиолетовое излучения с энергией фотонов от десятков тысяч до десятков электрон-Вольт (что соответствует длинам волн излучения от десятых долей до сотен). Спектр фотоэлектронов исследуют при помощи электронных спектрометров высокого разрешения (достигнуто разрешение до десятых долей эВ в рентгеновской области и до сотых долей эВ в ультрафиолетовой области).

Метод фотоэлектронной спектроскопии применим к веществу в газообразном, жидком и твёрдом состояниях и позволяет исследовать как внешние, так и внутренние электронные оболочки атомов и молекул, уровни энергии электронов в твёрдом теле (в частности, распределение электронов в зоне проводимости). Для молекул энергии связи электронов во внутренних оболочках образующих их атомов зависят от типа химической связи (химические сдвиги), поэтому фотоэлектронную спектроскопию успешно применяется в аналитической химии для определения состава вещества и в физической химии для исследования химической связи. В химии метод известен под название ЭСХА - электронная спектроскопия для химического анализа (ESCA - electronic spectroscopy for chemical analysis).

В ходе эксперимента авторы проводили исследование теллурида висмута методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Для анализа электронной структуры вещества на образец направляется поток фотонов, и при обработке спектра вылетевших фотоэлектронов можно получить информацию о структуре вещества.

«Теоретические работы были очень близки к экспериментальным результатам, — сообщил руководитель проекта Юлинь Чень. —

Но действительность превзошла все ожидания».

Он сообщил, что результаты работы подтверждают: теллурид висмута сохраняет свойства спинтроника при более высоких температурах, чем было предсказано теоретически. «Это значит, что данный материал начнет применяться в производстве гораздо быстрее, чем мы поначалу думали», — заявил Чень.

Одним из плюсов этого материала является его простота в производстве при нынешнем развитии изготовления трехмерных полупроводников. Отсюда следует, что не за горами то время, когда основу компьютера будут составлять быстрые процессоры из теллурида висмута, а современные процессоры постепенно отойдут в прошлое.