Приключения фотонной материи

В свое время никто себе не мог представить, что "накачка" света приведет к созданию лазера.
Фото предоставлено пресс-службой Физического института им. П.Н.Лебедева РАН

В 2009 году случилось (исполнилось) 55 лет с момента появления первых транзисторных радиоприемников размером с две пачки сигарет и стоимостью 50 долларов.

Потом были изобретены большие интегральные и последовавшие за ними микросхемы. Их сменили электронные чипы. На поверхности последних размещаются миллионы транзисторов, имеющих «послойное» строение.

Ученые давно мечтают максимально уменьшить количество проходящих сквозь транзистор электронов, что резко уменьшит генерацию тепла, образующегося согласно законам физики при прохождении тока. Для этого недавно с помощью углеродных нанотрубок классический «пленочный» транзистор модифицировали таким образом, что миниатюрное устройство получило возможность управления – tuning – одиночным электроном!

Однако электронный Флэтлэнд (flatland – «плоская земля») давно уже никого не удовлетворяет, так как он приблизился к физическому пределу миниатюризации. Поэтому с помощью тех же электронных пучков, воздействуя на поверхность искусственного алмаза, получают электропроводящие нанопроволоки в виде конусов с вершинами, смотрящими вверх. Травлением поверхности кремниевой «вафли» (wafer) и последующей фотолитографией ученые научились «выращивать» целый лес наностолбиков, или проволок, которые могут улавливать световую энергию, правда пока с малым КПД.

Экзотический графен, открытый нашими учеными из Черноголовки в сотрудничестве с сотрудниками Манчестерского университета, также может использоваться в производстве нанотранзисторов. Однако графеновая пленка, состоящая из одного слоя углеродных атомов, имеет естественные складки, мешающие ее практическому использованию. Вполне возможно, что решению проблемы поможет открытие, сделанное Кириллом Болотиным, сотрудником Физического университета в г. Нэшвиле, штат Теннесси.

Известно, что электроны в графене взаимодействуют друг с другом, испытывая на себе влияние внешнего магнитного поля. При этом, как говорят ученые, возникает скоррелированное состояние материи, нечто вроде квантовой «жидкости», в которой электроны и кванты магнитного поля связаны друг с другом. Эта связь приводит к «дроблению», или фракционированию, электронного заряда в графене.

Открытие Болотина дало возможность изучать новую электронную систему, которая из-за внешних воздействий проявляет себя довольно слабо. (Но вся физика состоит из слабых эффектов и взаимодействий; в свое время никто не мог представить, что «накачка» света приведет к созданию лазера.)

Болотин смог усилить уникальный эффект, «подвесив» (suspending) ультрачистый графен над подложкой. Благодаря низкой плотности электронов графен может также обретать свойства изолятора, в котором, однако, имеется энергетическое окно (gap), управляемое с помощью магнитного поля.

Ожидается, что использование новых материалов позволит создать переключатели (switches) диаметром не более 1,5 нанометра (1,5 х 10–9 м), которые еще больше повысят скорость пропускания электронов. Одновременно уменьшится и температурное воздействие на электроны, являющееся «ахиллесовой пятой» современных транзисторов.

Специалисты Центра функциональных наноструктур в немецком г. Карлсруэ создали фотонный материал на основе золотых спиралек диаметром 1,4 микрометра (микрона). Для получения спиралей благородного металла они использовали метод прямого лазерного письма (DLW – Direct Laser Writing).

Сначала ученые помещали полимерные блоки высотой 10 микрон на стекло (анод), покрытое проводящим слоем окислов индия и олова толщиной 25 нанометров, служащим катодом. Затем электрохимически осаждали из раствора золото, заполнявшее воздушные «колодцы», или ходы спиральной формы, созданные с помощью лазерного письма. На конечной стадии остатки полимера удалялись путем плазменного травления.

Интереснейшая особенность полученных золотых спиралей – при прохождении света вдоль их оси они служат поляризатором, то есть «заворачивают» свет в сторону, противоположную их закрученности. С подобным явлением ученые постоянно сталкиваются на примере двуцепочной спирали ДНК, жидких кристаллов и спиралей других металлов. Ученые полагают, что новый фотонный материал, обладающий свойствами трехмерного поляризатора, найдет самое широкое применение в нанотехнологии.