Когда значение имеет не только размер, но и форма

Графен вверху и CrIз внизу. Иллюстрация Physorg

Гексагон. Это греческое слово означает шестиугольник, весьма «любимый» природой, достаточно вспомнить пчелиные соты и бензольное кольцо, а также графен. Последний давно пытаются применять в электронике для замены кремния. А в то же время алармисты предрекают, что бесконтрольно множащиеся электронные устройства к 2040 году будут потреблять больше энергии, чем может произвести вся энергетика Земли. Выход ученые видят в замене в цепях различных устройств электронов на фотоны. Тем более что фотон, эта практически безмассовая частица света, не генерирует тепла.

Век тому назад Макс фон Лауэ придумал, как приспособить открытое незадолго до этого рентгеновское излучение для изучения структуры материалов. За этот прорыв немца удостоили Нобелевской премии в 1914 году. Через 19 лет в Стокгольм были вызваны Эрвин Шредингер и Поль Дирак, по праву считающиеся отцами-основателями квантовой физики. Шредингер придумал телепортацию и связь (энтенглмент) квантовых свойств двух и более частиц, разнесенных в пространстве. А Дирак заложил основы понимания того, как ведут себя электроны в веществе. Его теория и математические выкладки играли важную роль в описании поведения топологических изоляторов. Эти материалы электроны не проводят, но на 2D-поверхности являются отличными проводниками.

Специалисты Университета Райса в Хьюстоне совместно с коллегами из Корейского университета в Сеуле описали создание графеноподобного трийод-хрома (CrI3) с такой же сотовой структурой. Но оба 2D-материала имеют важное отличие: графен является одноатомным, а CrI3 дает объемные пирамиды, вершины которых были тщательно совмещены друг с другом. Статья ученых в журнале Physical Review X называется «Топологическое возбуждение спинов в сотах ферромагнетика CrI3». Авторы подчеркивают, что йод помогает упорядочить атомы хрома, в результате чего и возникают гексагоны. Причем гексагоны порождают спиновые волны. Поскольку спин представляет собой магнитный момент, то новый материал генерирует магнитные волны (магноны), являющие собой квазичастицы (подобно тому как на поверхности благородных металлов возникают плазмоны из многих электронов). Образование магнонов возможно только вокруг точек Дирака, что доказано нейтронной бомбардировкой.

Интерес к магнонам вызван тем, что CrI3 позволяет отказаться от дорогого в производстве кремния. К тому же в хромовом ферромагнетике намагничивание возникает без внешнего магнитного поля. Спинтроника намного интереснее электроники хотя бы в плане генерируемого транзисторами тепла, к тому же спины, имеющие всего два положения, намного быстрее переключаются.

Сближение электродов металл-воздушного транзистора. Иллюстрация Physorg

Отказаться от кремния, возможно, позволит металл-воздушный транзистор без полупроводниковой составляющей. Известно, что при сближении проводников между ними проскакивает искра, на чем основан принцип действия сканирующего туннельного микроскопа. Группа исследователей представила в журнале Nano Letters статью «Металл-воздушные транзисторы: наноэлектроника с эмиссией по воздушному каналу», где описали пару заостренных электродов из золота, сближение концов которых способствует проскакиванию через нанозазор электронов. Так при механических манипуляциях работает транзистор, не требующий кремния.

И все же футурологи видят главную перспективу в развитии фотоники. Это направление до самого последнего момента ограничивалось неспособностью луча света – фотонного потока изгибаться под разным углом без потерь (вследствие внутреннего отражения в световодах). И тем не менее в 2018 году был предложен метаматериал, в канале которого свет многократно отражался от внутренних стенок, почти не затухая.

Иной принцип был положен в основу созданного в Университете Дьюка в городе Дареме светового волновода размером 35 х 5 микрон (0,035 мм), который в 100 раз меньше кольцевидного световода. Новое устройство позволяет изгибать свет под острым углом, при этом потери его светимости не превышают нескольких процентов. При таких минимальных размерах это непринципиально.