Топологические материалы для измерительной электроники

Реализация так называемых топологических структур - экзотических, не теряющих работоспособность при наличии дефектов, с ясной перспективой применения в электронике, оптике, квантовых компьютерах, измерительной технике, дистанционной передаче энергии и данных и в других областях - открывает новую эру инновационных решений в микро-нано-схемотехнике. Некоторые из недавно открытых топологических материалов на сегодняшний день известны как топологические изоляторы. Их поверхностные слои способны проводить электричество, встречая очень малое электрическое сопротивление, что делает их похожими на сверхпроводники, но без необходимости охлаждения до сверхнизкой температуры. При этом в глубине материала сопротивление является высоким, что характерно для изолятора.

Теперь команда исследователей, работающих в отделе энергетики Национальной Лаборатории (Berkeley Lab) Лоуренса Беркли, обнаружила самый сильный топологический проводник из всех форм тонких кристаллических образцов, которые имеют структуру винтовой лестницы. Результаты изучения этих кристаллов, названных топологическими хиральными кристаллами, опубликованы в издании от 20 марта 2019 г. в журнале Nature.

ДНК-подобная спиралевидная структура или геликоид в образце кристалла, который был в центре внимания последнего исследования демонстрирует асимметрию относительно какой либо, в частности вертикальной плоскости (хиральность). Как у человека левая рука является зеркальным отражением правой руки, но при этом человек может быть или левшой или правшой. Хиральные свойства в некоторых случаях могут инвертироваться, как если бы левша превратился в правшу. «В этой новой работе мы по существу доказываем, что это новое состояние квантовой материи, демонстрирующее почти идеальные топологические свойства поверхности, которые проявляются как следствие хиральности кристаллической структуры ", - сказал М. Захид Хасан, руководитель направления топологических материалов, курирующий теоретические и экспериментальные исследования в качестве приглашенного преподавателя-исследователя в отделе материаловедения лаборатории Беркли. Хасан известен также субсидируемый фондом Евгения Хиггинса профессор физики в Принстонском университете. Свойство, определяющее топологическую проводимость - которая связана с электрическим проводимость поверхности материала - было примерно на два порядка более выраженным, чем наблюдаемое в более ранних исследованиях топологических материалов. Это свойство, известное как поверхностная арка Ферми, было обнаружено в рентгеновских экспериментах в Беркли.

Усовершенствованный источник излучения лаборатории (ALS), использующий метод, известный как фотоэмиссионная спектроскопия. ALS - это синхротрон, который производит интенсивный свет - от инфракрасного до высокоэнергетического рентгеновского излучения - для десятков одновременных экспериментов. Топология - это устоявшаяся математическая концепция, которая связана с сохранением геометрических свойств объекта, даже если объект растянут или деформирован другими способами. Некоторые из её экспериментальных применений в 3D электронных материалах - такие как обнаружение топологического поведения в электронных структурах материалов - были реализованы только в начале 21-го века, с приоритетным и постоянным вкладом Berkeley Lab. «После более чем 12 лет исследований в области топологической физики и материалов я осознаю что это только вершина айсберга, "добавил профессор Хасан." На основании наших измерений, это самый прочный, топологически защищенный проводящий материал, который когда-либо был найден - это выводит нас на новые рубежи ". Топологически защищенный означает, что некоторые свойства материала достаточно стабильны даже если материал имеет дефекты. Это качество также обнадеживает в части возможностей практического применения и технологичности для этих типов материалов.

Почему эти исследования не замыкаются границами микро-нано-схемотехники будущего, которую придется назвать нано-схемотехникой? Термин, который, пожалуй, в первые появился на страницах нашего сайта, особенно, когда речь идет о наносхемах. Область применения расширяется на измерительную наносхемотехнику. Потому, что, как будет ясно из нижеследующих предложений, решается проблема питания датчиков, сбор и обработка данных с которых будет осуществляться на основе наносхем. Энергия питания наносхем будет доставляться к ним светом того же лазера, как это легко осуществить для случая измерения, например, крутящего момента тензорезисторными датчиками, приклеенными к вращающемуся валу. Конечно, можно и сейчас наклеить на вал двигателя, проходящего испытания на стенде, бескорпусные фотодиоды, а потом бороться с помехами по цепи питания, но такие эксперименты не привели к успеху. Ведь потребление такого датчика крутящего момента в комплексе с передатчиком пока остается в эпохе "микро", а никак не "нано". Со временем появятся и нано-датчики крутящего момента и других физических величин, и тогда технологическую революцию микро-нано, можно будет считать свершившейся. Илья Белопольский, исследователь из Принстона, участвовавший как в теоретических исследованиях, так и в экспериментах отмечает, что особенно интересное свойство изучаемых кристаллов - включающих кобальт-кремний и родий-кремниевые кристаллы - это то, что они могут генерировать электрический ток определенной силы, под действием падающего на них света (фотодиодный эффект без p/n перехода). «Наши предыдущие исследования на основе электронных свойств материала показали, что ток будет зафиксирован на определенных значениях », - сказал он, независимо от величины и степени чистоты образца. Это универсальное свойство будет работать в любых приложениях." В связи с этим возникает вопрос, должны ли специалисты по испытаниям двигателей и других агрегатов с вращающимися узлами ждать, когда эти разработки появятся в каталогах KMT, MAGTROL и других лидеров?

В предыдущих экспериментах с ALS, команда Хасана обнаружила существование безмассовых квазичастиц, известных как фермионы Вейля, которые, как известно, были предсказаны теоретиками около 85 лет назад. Фермионы Вейля, которые наблюдались в синтетических кристаллах полуметалла под названием арсенид тантала, проявляют некоторые электронные свойства, сходные с найденными в кристаллах, используемых в последнем исследовании, за исключением их хиральных свойств. Полуметаллы - это материалы, которые имеют симбиоз некоторых металлических и неметаллических свойств. На основе проведенных исследований авторы делают вывод о возможности использования нового механизма возникновения сверхпроводимости, которая может передаваться через другие материалы к топологическому проводнику. «Это может привести к появлению сверхпроводника нового типа,- или к открытию нового квантового эффекта. Возможно, что появится новый хиральный топологический сверхпроводник. Такие топологические свойства наблюдаются у кристаллов родий-кремний и кобальт-кремний, которые считаются идеальными, наряду с другими материалами, которые должны быть изучены, чтобы оценить их потенциал для использования в реальных приложениях.

Прогноз, в котором хотелось бы ошибиться... Третье десятилетие 21-го века в мире электроники предполагается быть непростым для теоретиков, экспериментаторов и промышленности. Переход от технологии дискретных элементов типа диод/резистор/транзистор к микросхемам занял в 20-м веке не одно десятилетие. Пришлось освоить новые технологии массового производства микросхем, в частности фотолитографию и др. Вопрос стерильности производственных помещений оказался ключевым и не позволил многим нашим предприятиям перешагнуть границы плотности транзисторов на квадратный миллиметр, которые позволили бы массово производить процессоры уровня выше 286 серии. При переходе на нано-технологии проблем скорее всего будет никак не меньше.

И несмотря на то, что многие теоретические разработки в РФ опережают общемировые, а разработчики графена, лауреаты Нобелевской премии по физике вообще родом из России, в технологической битве за лидерство в нано-технологиях шансов у России не много. (К стати, неоднократно цитируемый на этой странице доктор Хасан родом из Бангладеж, но что это дало его родине в плане продвижения в технологической гонке?) Поэтому разработчикам нового оборудования, включая двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели, свои стенды испытания двигателей придется еще какое то время комплектовать импортными комплектующими. А это датчики крутящего момента Magtrol, устройства дистанционного (телеметрического) измерения и контроля KMT, системы сбора данных с датчиков imc. При этом по опыту 20-го века на следующий технологический (нано) уровень эти фирмы выйдут раньше других, в том числе отечественных.