Новейшие исследования в области перспективных материалов

Новейшие исследования в области перспективных материалов

Выпуск 21 (6695) от 24 октября 2019 г.
РУБРИКА: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Работы в области перспективных материалов необходимы для обеспечения дальнейшего прогресса микроэлектроники. При этом исследователям приходится сталкиваться не только с новыми материалами, но и новыми явлениями в уже достаточно хорошо изученных материалах. Важное направление – ​расширение сферы применения перспективных материалов: примерами могут служить работы ученых Ратгерского университета, Университета штата Мэриленд и Национального института стандартов и технологий США (NIST), Института нелинейной оптики и короткоимпульсной спектроскопии им. Макса Борна и Университета штата Пенсильвания.


Взаимодействие пленок иридия и никеля

Недавно ученые Ратгерского университета (г. Нью-Брансуик, шт. Нью-Джерси, США) опубликовали в журнале «Труды Национальной академии наук США» (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) отчет об опытах по взаимодействию тонких пленок иридия и слоев на основе никеля. Как отмечается в статье, иридий, переходный металл платиновой группы, «теряет свою идентичность» – ​т. е. его электроны в ультратонкой пленке «странно» ведут себя при взаимодействии со слоями на основе никеля, которые оказывают неожиданно сильное воздействие на ионы иридия.

Было обнаружено, что на границе раздела между слоем, содержащим никель, и слоем на основе иридия возникает необычная форма магнетизма, которая сильно влияет на поведение вращения и орбитального движения электронов (см. рисунок). Данное открытие важно потому, что квантовые материалы с очень большим спин-орбитальным взаимодействием являются популярными кандидатами в новые топологические материалы и материалы со сверхпроводимостью. Результаты опытов специалистов Ратгерского университета помогут улучшить понимание квантовых состояний, расширить возможности работы с квантовыми материалами и сферу их применения в электронных приборах и системах новых типов. Кроме того, вероятно, в ближайшее время физикам и материаловедам придется переоценить ранее осуществленные работы и переосмыслить эксперименты по физике спин-орбитальных взаимодействий и магнетизму, особенно когда речь идет о границах разделов или поверхностях материалов с атомами металлов платиновой группы. [1].



Источник: Semiconductor Digest

Сверхтонкие искусственные сверхструктуры иридия и никеля: воздействие никелевых сверхструктур на ионы иридия


Дителлурид урана

Подобные необычные свойства – ​не единственный случай в практике исследователей полупроводниковых материалов. Так, ранее обнаруженные свойства дителлурида урана (UTe2) показывают, что это химическое соединение может оказаться пригодным для решения одной из проблем развития квантовых компьютеров – ​трудности с переключением памяти при помощи кубитов. Такие операции зачастую оказываются достаточно длинными, чтобы можно было завершить вычисление до потери тонких физических отношений, позволяющих им действовать как группе. Эти отношения, называемые квантовой когерентностью, трудно поддерживать из-за помех в окружающей среде.

Специалисты Национального института стандартов и технологий США (NIST) начали изучать UTe2 с применением специализированных инструментальных средств как в Центре нейтронных исследований NIST (NIST Center for Neutron Research, NCNR), так и в Университете штата Мэриленд (г. Колледж-Парк). Было обнаружено, что UTe2 обладает сверхпроводимостью при низких температурах (ниже –271,5 °C). Его свойства напоминали свойства редких сверхпроводников, которые также одновременно являются ферромагнетиками – ​действуя как низкотемпературные постоянные магниты. Что любопытно, сам по себе UTe2 не является ферромагнетиком.

Необычное и сильное сопротивление данного соединения магнитным полям делает его редкостью среди сверхпроводящих материалов и предлагает явные преимущества для проектирования кубитов. Преимущества заключаются, главным образом, в устойчивости кубитов к ошибкам, легко проникающим в квантовые вычисления. Исследователи считают, что UTe2 может стать крайне перспективным материалом для зарождающейся индустрии квантовых компьютеров [2].


Топологические изоляторы

Еще одно перспективное направление исследований в области материалов – ​топологические изоляторы. Это квантовые материалы, которые из-за своей необычной электронной структуры на поверхностях и кромках проводят электрический ток как металлы, в то же время выступая в качестве изолятора в объемной части. Ученые из Института нелинейной оптики и короткоимпульсной спектроскопии им. Макса Борна (MB, г. Берлин, Германия) впервые продемонстрировали, как отличать топологические материалы от их обычных аналогов в пределах одной 1 фс (10–15 с), исследуя их ультрабыстрыми лазерными импульсами. Их метод может открыть путь для использования таких материалов в качестве логических элементов в управляемой светом электронике, способной обрабатывать информацию в десятки тысяч раз быстрее, чем это возможно в настоящее время. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Photonics.

Наиболее распространенная иллюстрация топологической концепции – ​эластичный крендель, который можно растягивать, сгибать или скручивать любым способом. Независимо от деформации, невозможно сделать из кренделя рогалик или добавить в него отверстия, не разрывая его на части. Число отверстий, таким образом, является инвариантным и дает топологическую информацию о форме кренделя. В твердом материале квантово-механические законы ограничивают возможные энергии электронов, что приводит к образованию полос с разрешенной или запрещенной энергетической зоной. Используя концепцию топологии, физики могут описывать сложные формы разрешенных энергетических зон и назначать им конкретное топологическое число. Особая топология зонной структуры в материальной системе проявляется в экзотических свойствах, которые можно наблюдать, – ​таких как поверхностная проводимость в топологических изоляторах.

Специалисты Института нелинейной оптики и короткоимпульсной спектроскопии им. Макса Борна считают самым замечательным аспектом топологии ее надежность. Примеси и другие помехи, которые обычно нарушают способность материала проводить электричество, не влияют на высокую подвижность электронов на поверхности топологических изоляторов. Эта невосприимчивость к примесям – ​причина, по которой топологические материалы столь привлекательны для электронной промышленности.


Как заставить электроны «говорить» о топологии

Хотя топология системы тесно связана с поведением электронов, до сих пор не было обнаружено влияния топологических свойств на динамику электронов в реальном масштабе времени, составляющем фемтосекунду. Используя численное моделирование и теоретический анализ, группа ученых из Института нелинейной оптики и короткоимпульсной спектроскопии им. Макса Борна доказала, что информация о топологии системы действительно закодирована в динамике электронов и может быть получена путем просмотра светового излучения, испускаемого электронами при возбуждении лазерными импульсами. Представим, что электроны в твердом теле движутся в пределах энергетических полос, как бегуны на гоночном треке. Новый метод позволяет выяснить топологию этого «гоночного трека», просто измеряя ускорение «бегунов». Сверхкороткие лазерные импульсы возбуждают электроны системы, заставляя их переходить из одной энергетической зоны в другую, более высокую, придавая им ускорение «на новой дорожке». Ускоренные электроны затем излучают свет и быстро возвращаются в нижнее положение. Процесс длится бесконечно малую долю секунды, однако этого достаточно для того, чтобы электрон «почувствовал» тонкую разницу между энергетическими структурами тривиальных и топологических изоляторов и «закодировал» ее в излучаемом свете.


На пути к сверхбыстрой световой электронике

Текущая работа показывает, как различать тривиальные и топологические изоляторы – ​иными словами, «считывать» топологическую информацию системы с помощью лазерной спектроскопии. На следующем этапе исследователи из Института нелинейной оптики и короткоимпульсной спектроскопии им. Макса Борна планируют использовать эти знания для преобразования тривиального изолятора в топологический и наоборот с лазерным излучением, то есть для «записи» топологической информации в материал с одинаковой скоростью. Теоретическое доказательство этого эффекта может привести к внедрению топологических материалов в электронику с оптическим управлением, где предел скорости обработки информации определяется только скоростью электронного отклика на импульс светового (лазерного) излучения [3].


Топологические изоляторы в фотонике

Исследователи Университета штата Пенсильвания (г. Филадельфия), где в 2005 г. были впервые обнаружены топологические изоляторы, продемонстрировали возможность их использования в фотонике. Они впервые показали, как топологический изолятор может использовать всю свою площадь. Фотонные ИС, использующие вместо электронов фотоны, обладают потенциалом еще более высоких скоростей и плотностей передачи данных. Однако компоненты, необходимые для их построения, остаются пока значительно крупнее электронных аналогов – ​из-за отсутствия эффективной архитектуры маршрутизации данных.

Решить проблему габаритов фотонных ИС могло бы переопределение «на лету» краев топологических изоляторов. Возможность прокладывать «трассы» прохождения фотонов друг вокруг друга по мере необходимости означает, что для эффективного построения каналов передачи данных может использоваться весь внутренний объем. Исследователи Университета штата Пенсильвания совместно с учеными из Миланского технического университета впервые создали и протестировали такое устройство, опубликовав свои выводы в журнале Science.

Данное открытие может оказать большое влияние на приложения с большой информационной емкостью, такие как средства связи 5G или даже 6G в сотовых сетях. Исследователи также заявляют, что это первый случай практического применения топологических изоляторов.

Центры обработки данных (ЦОД), образующие основу сетей связи, направляют звонки, текстовые сообщения, вложения электронной почты и потоковые фильмы между миллионами сотовых устройств. По мере увеличения объема данных, проходящих через ЦОДы, растет и потребность в маршрутизации данных с высокой пропускной способностью, которая может удовлетворить спрос. Переход с электронов на фотоны ускорил бы этот процесс в преддверии предстоящего информационного взрыва, но специалистам придется сначала разработать целую новую библиотеку устройств для передачи фотонов с входа на выход без смешения и потери в рабочем процессе.

Достижения в области увеличения скорости обработки данных в электронике основаны на постоянном масштабировании основных компонентов. Но в области фотоники необходимо использовать другой подход. Ученые из Университета штата Пенсильвания намерены максимизировать сложность фотонных волноводов – ​предписанных путей, по которым отдельные фотоны идут от входа к выходу в фотонных ИС. Прототип фотонной ИС площадью около 250 мкм, созданный исследователями, имеет мозаичную решетку из овальных колец. «Накачка» микросхемы внешним лазером с целью изменения фотонных свойств отдельных колец дает возможность изменять их положение в качестве границ волновода. В результате получается реконфигурируемый топологический изолятор. При изменении схем накачки фотоны, движущиеся в разных направлениях, могут «обходить» друг друга, что позволяет фотонам из нескольких пакетов данных проходить через микросхему одновременно. Таким образом, формируется нечто похожее на сложную транспортную развязку. Можно определить края так, чтобы фотоны шли от любого входного порта к любому выходному порту или даже к нескольким выходам одновременно. Это означает по крайней мере на два порядка большее отношение портов к занимаемой площади, чем у современных фотонных маршрутизаторов и коммутаторов. Повышение эффективности и скорости – ​не единственное преимущество нового подхода. Система также устойчива к неожиданным дефектам. Если одно из колец повреждено, например, частицей пыли, то это повреждение создает новый набор краев, по которым можно отправлять фотоны.

Поскольку для переопределения формы волноводов опытной системе требуется внешний лазерный источник, ее габариты пока недостаточно малы, чтобы ее можно было использовать в ЦОДах или других коммерческих применениях. На следующих этапах работ планируется создать схемы быстрой перенастройки в интегрированной форме [4].


Davis Shannon. Iridium ‘Loses Its Identity’ When Interfaced With Nickel. Semiconductor Daily, September 25, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/09/25/iridium-loses-its-identity-when-interfaced-with-nickel/

Davis Shannon. Newfound Superconductor Material Could Be the ‘Silicon of Quantum Computers’. Semiconductor Daily, August 15, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/08/15/newfound-superconductor-material-could-be-the-silicon-of-quantum-computers/

Davis Shannon. Spying on Topology. Semiconductor Daily, October 2, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/10/02/spying-on-topology/

Davis Shannon. Penn Engineers’ New Topological Insulator Reroutes Photonic ‘Traffic’ On the Fly. Semiconductor Daily, September 13, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/09/13/penn-engineers-new-topological-insulator-reroutes-photonic-traffic-on-the-fly/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ