Нанонауки. Невидимая революция - Жоаким Кристиан

Первая порция приращения — это элементарный квант Холлова сопротивления, последующие порции кратны этой первой порции. Обнаружилось, однако, что по мере возрастания магнитного поля появляются какие-то промежуточные — некратные первой порции — приращения. Откуда они берутся? Было над чем ломать голову. В самом деле, получалось, что должны быть еще какие-то носители заряда, с зарядом меньше элементарного! Заряд меньше единицы! То есть дробный. Однако никаких «кусочков электрона» так и не нашли. Электрон так и остался неделимым, и его заряд тоже. Носителями же дробного заряда оказались частицы неведомого прежде рода: их назвали квазичастицами, или виртуальными частицами. А «возникают» квазичастицы в результате суммарного, совместного поведения тысяч «нормальных» электронов в сверхтонкой пластинке. В такой пластинке под воздействием магнитного поля все происходит так, словно электрический ток — поток не электронов, а квазичастиц с зарядом в 1/3. В позднейших экспериментах удалось подтвердить существование квазичастиц с зарядами в 1/5 или 1/7 заряда электрона. Вот в какой новый мир привела нас миниатюризация.

Вещие птицы принесли было скверную весть о непреодолимых препонах, якобы мешающих создавать транзисторы при использовании микронной технологии, тем более на расстояниях в четверть микрона или порядка 100 нм (= 0,1 мкм). Через все эти преграды, однако, ухари-физики перемахнули, пускаясь во все тяжкие и выдумывая все более хитроумные трюки. Но вот с поколением транзисторов, меньших 20 нм, ничего не получалось: квантовые явления не позволяли. Надо было пересматривать само понимание транзистора — тот транзистор, какой мы знали со времени его возникновения, уже не годился. Можно было продолжать миниатюризацию и дальше, но новинки не обещали ничего существенно лучшего по сравнению с тем, что уже и так было. Где же выход? Наверное, искать его надо было не на путях преодоления квантовых явлений, а там, где эти явления поддавались бы какому-то использованию. Значит, в лабораториях должна была родиться новая электроника — квантовая. Эту самую квантовую электронику иногда называют — неправильно! — наноэлектроникой. В самом деле, размеры приборов, создаваемых методами квантовой электроники, таковы, что в приборе еще содержатся тысячи атомов. Только допуски — нанометровые, все остальное, можно сказать, «как обычно». Давайте лучше присмотримся к кое-каким дорожкам, сулящим вывести нас к электронике будущего.

Если классический транзистор сделать меньше 20 нм, то в нем останется совсем мало «деятельных» электронов (тех, которые работают в транзисторе). Ну и что? А почему бы не сделать прерыватель (ключ) на одном-единственном электроне? Как только электрон проникает в классический транзистор, суммарная энергия внутри транзистора увеличивается. Электрон черпает эту энергию из тепловых флуктуаций в своей точке «отправления», и, поскольку приращение энергии ничтожно, оно теряется — «тонет» — в тепловых флуктуациях в точке «прибытия». Так что электроном больше или электроном меньше — транзистору («классическому»), в общем, все равно. А вот если транзистор занимает площадку в десяток нанометров и меньше, то такой микроскопической прибавкой энергии пренебречь не удастся. И никаких тепловых микроколебаний не хватит, чтобы замаскировать эту прибавку. Более того, попав в транзистор, электрон загородит дорогу другим электронам. Это явление называют «блокадой Кулона»: ни одному лишнему электрону просочиться не удастся, потому что энергии не хватит — уж очень она дорогая. Происходит так, как в шлюзе: как только он наполнен водой, новая вода прекращает в него поступать — просто места больше нет. «Блокаду Кулона» описали в 1951 году, но о том, что на этом эффекте можно построить транзистор с одиночным электроном, догадались только в 1985 году, а опробовали эту идею в эксперименте лишь двумя годами позже, применив очень изощренные методики электронной литографии.

Еще одна совсем иная электроника может родиться не из использования заряда электрона, а из работы с его элементарным магнитным моментом, который называется спином и истолковывается как вращательный момент, — так, словно бы электрон вращается вокруг своей оси (spin по-английски значит «крутиться», «вращаться»). И, как маленький магнитик, этот спин производит магнитное поле, направленное вверх или вниз — соответственно направленности вращения электрона. Если вещество — не магнит, то ориентации спина (вращательного момента) будут случайными. Значит, в классическом транзисторе ориентация спина любого электрона может быть какой угодно и потому не влияет на свойства транзистора (разные спины компенсируют друг друга). Но если взять материал с выраженными магнитными свойствами (магнетик), то, напротив, количество электронов со спином, обращенным вверх, будет сильно отличаться от числа электронов со спином, ориентированным вниз, что и приводит к намагничиванию материала. Спины электронов, попадающих в магнитный материал, по необходимости взаимодействуют с магнитным моментом этого материала. Положим, что через ферромагнетик (это обычные магниты из железа, никеля или кобальта) течет электрический ток — поток электронов со спинами произвольной ориентации. В таком случае у тех электронов, спины которых ориентированы в одном направлении, больше шансов пройти свой путь, чем у прочих электронов (с разнонаправленными спинами). Получается, что ферромагнетик действует как фильтр, пропускающий электроны с некоторой — «предпочтительной» — ориентацией спина и сильно мешающий продвижению остальных электронов. Еще одно наблюдение: электрическому току (потоку электронов) по силам изменить магнитные моменты на тех участках магнитного материала, которые оказались по соседству с потоком электронов — иначе говоря, если сила тока достаточно велика, то есть движется множество электронов, то их поток поменяет ориентацию магнитного момента самого материала. Исследования подобных явлений стали называть «спинтроникой»[12]. На переворачивание спинов уходит куда меньше времени и энергии, чем на переключение транзистора (из закрытого состояния в открытое или наоборот), уже потому, что электрону проще и быстрее опрокинуться, чем преодолеть некоторое расстояние. Вот почему спинтронная электроника в такой чести у многих исследователей.

Как бы то ни было, похоже, что полупроводниковый транзистор, уже уменьшившийся за годы миниатюризации донельзя, придется заменить каким-то другим устройством. И пока представляется, что в качестве возможных заменителей наиболее предпочтительны транзистор с одним электроном и спинтронный транзистор — потому что такие приборы могут изготавливаться посредством технологий, уже освоенных по ходу миниатюризации классических транзисторов. Во всяком случае, ясно одно: физики в новых приборах должны как-то использовать квантовые эффекты, а не пытаться обходить или как-то нивелировать эти неизбежные явления.

Нанотехнологическое предание повествует о прозорливости Фейнмана: мол, именно его якобы пророчества воплотились в отказе от сверхминиатюрных транзисторов в пользу волокон ДНК и микромеханики. На самом деле становление этих нанотехнологий происходило в ходе непрерывного развития обычных приемов, разработанных еще в конце 1950-х годов; достаточно назвать фотолитографию — правда, в приложении к формированию компонентов микроэлектроники и микромеханики, или электронную литографию — в приложении к мезоскопической физике. Такие нанотехнологии подчас имеют дело с предметами, размеры которых измеряются десятками и сотнями нанометров и лишь допуск точности исчисляется единицами нанометров. Тем не менее именно они вышли на передний план и сумели связать свои наименования с ярлыком «бесконечно малые»… тогда как совсем иная технология осталась в тени или скорее была задвинута в тень: речь о технологии действительно нанометрического масштаба, манипулирующей отдельными атомами и позволяющей создавать устройства с размерами в считаные нанометры при допуске точности порядка 0,1 нм. Об этой технологии мы поговорим в следующей главе.