Элементы и Технологии материалов

Группа американских физиков провела теоретические расчеты, которые позволили найти альтернативу графену. Двумерный слой олова (стален) может показать еще больший уровень подвижности зарядов, причем эти свойства проявляются при комнатной температуре. Подробности со ссылкой на статью в Physical Review Letters приводит Стэнфордская национальная ускорительная лаборатория.

Ученые из Стэнфордского университета вместе с коллегами из Германии (Институт физической химии твердого тела общества Макса Планка) и Китая (университет Цинхуа) провели расчеты Ab initio. Это особый класс расчетов, в котором результаты получаются вычислениями (обычно, довольно сложными и громоздкими) напрямую из принципов квантовой механики.

Моделирование двумерного слоя из атомов олова позволило установить, что в таком материале должен наблюдаться спиновый эффект Холла и, кроме того, плоское олово должно быть топологическим изолятором. Сочетание этих свойств делает стален, как назвали теоретически предсказанную форму олова ученые, перспективным для применения в микроэлектронике материалом.

Топологическими изоляторами называются материалы, которые проводят ток только в тонком приповерхностном слое. Это явление принципиально отличается от скин-эффекта (переменный ток течет преимущественно вблизи поверхности проводника) и может наблюдаться в изоляторах. В случае с плоским оловом физики говорят, что ток через сталеновую пленку будет проходить только вдоль ее краев.

Эффект Холла заключается в том, что при протекании тока через плоский проводник в магнитном поле (линии магнитной индукции перпендикулярны плоскости) в проводнике возникнет разность потенциалов. Этот эффект можно описать как отклонение зарядов в сторону магнитным полем и его широко используют в технике: например, для измерения силы тока или определения магнитного поля. Кроме того, у эффекта Холла есть еще несколько разновидностей.

В случае квантового эффекта Холла к смещению зарядов добавляется изменение сопротивления проводника, причем оно меняется не непрерывно, а дискретно. Кроме того, отдельно выделяется спиновый эффект Холла: когда на движение носителей заряда влияет не только величина заряда и напряженность поля, но и их спин. Спиновый эффект Холла состоит в том, что электроны со спином «вверх» (направление условно) сдвигаются к одному краю проводника, а со спином «вниз» к другому.

В новой работе ученые обнаружили квантовый спиновый эффект Холла: электроны не просто разделяются по направлению спина вдоль разных сторон сталеновой полосы, но еще и перемещаются с нулевым сопротивлением. При этом речь не идет о сверхпроводимости, поскольку нулевое сопротивление встречают только носители заряда с определенной ориентацией спина.

Применить стален, по мнению предсказавших его ученых, можно для создания микроэлектронных устройств. В частности, высокая подвижность зарядов позволит снизить энергопотребление микросхем, а квантовый спиновый эффект Холла можно применить в спинтронике: вычислительных системах, которые оперируют не только зарядовыми, но и спиновыми токами.