полупроводник

Тонкий слой арсенида индия спрятан под сверхпроводящей плёнкой, как голос под шумом толпы. Ток в таком гибриде выбирает путь наименьшего сопротивления и почти весь течёт по металлу, поэтому полупроводник остаётся неслышным для обычных приборов.

В тихой комнате, где нет ни одного магнита, два электрона в кремниевой ловушке всё равно чувствуют слабое дрожание. Его создают ядра атомов кремния и германия, которые хаотично поворачиваются, как стрелки сломанных компасов. Раньше это дрожание считали помехой, а теперь оно само стало измерительным прибором.

Пластиковая плёнка толщиной с человеческий волос содержит платиновые точки размером меньше миллионной доли миллиметра — так называемые наночастицы. Они расположены на границе двух слоёв транзистора и действуют как ловушки для электрического заряда: подобно губке, впитывающей воду, эти точки захватывают и удерживают электроны.

Сверхпроводник — материал, который проводит электрический ток без потерь, подобно воде, текущей по идеально гладкой трубе. В медных сверхпроводниках, известных как купраты, крошечные добавки кислорода действуют как регулятор громкости: чуть больше — и материал переходит в сверхпроводящее состояние, чуть меньше — теряет это свойство.

Обычный проводник при прохождении тока нагревается — часть энергии рассеивается в виде тепла. Сверхпроводник лишён этого недостатка: электрический ток течёт по нему без потерь, как вода по идеально гладкой трубе.

Мост, по которому пешеходы и велосипедисты движутся в одном потоке, не мешая друг другу. Примерно так работают гибридные системы из сверхпроводников и полупроводников: одни переносят ток без потерь, другие управляют этим током. Но чтобы построить такой мост, нужен сверхпроводник, который не боится сильного магнитного поля и не разрушает хрупкую полупроводниковую основу при изготовлении.

Представьте почти пустой танцпол, где редкие посетители движутся каждый сам по себе — хаотично, без связи друг с другом. Но стоит включить определённую музыку и немного охладить зал, как танцоры вдруг выстраиваются в длинные цепочки и начинают двигаться в унисон. Примерно так ведут себя электроны в разрежённом трёхмерном газе.

Выключатель щёлкает — свет загорается. Но представьте выключатель, который при одном и том же нажатии может и включить лампу, и оставить комнату тёмной. Он ещё и помнит, что делал в прошлый раз, а иногда словно подбрасывает монетку, решая, зажечь ли свет. Такое поведение обнаружили в кристалле чёрного фосфора — полупроводнике толщиной в несколько атомных слоёв.

Микросхема размером с ноготь выделяет столько же тепла, сколько маленькая лампочка. Отвести это тепло — всё равно что вычерпать чайной ложкой горячий чай из стакана: материал-изолятор вокруг транзисторов обычно плохо проводит тепло.

Оркестр играет, но дирижёр слышит только общий гул. Каждый инструмент ведёт свою партию, а разобрать, где флейта, а где контрабас, не получается. Нужен анализатор спектра — устройство, раскладывающее звук по частотам. В астрономии та же задача: холодная межзвёздная пыль и газ излучают на миллиметровых и субмиллиметровых волнах, и чтобы понять их состав и движение, нужно разложить этот свет в спектр.

Кусок металла охлаждают до минус двухсот градусов, и электрический ток начинает бежать по нему без малейшего трения — как если бы вода в трубе текла, не касаясь стенок. Такое поведение называют сверхпроводимостью.

Некоторые кристаллы ведут себя как переключатель: чуть изменили температуру или давление — и они из проводника превращаются в изолятор. Это называется переходом металл-изолятор (изменением способности проводить ток).

Сверхпроводник — это материал, в котором электроны объединяются в пары и движутся без сопротивления. В обычных сверхпроводниках (s-типа) эти пары одинаковы во всех направлениях — как идеальный шар. Но есть и другие, d-типа, где спаривание похоже на четырёхлистный клевер: по одним направлениям связь сильнее, по другим слабее, а в особых точках — узлах — она вовсе исчезает.

Обычно сверхпроводимость — это история про холод. Чем ниже температура, тем легче электронам объединиться в пары и течь без сопротивления. Но в новой работе физики вырастили тонкие плёнки никелатов с добавкой европия и увидели обратную картину.

Слаженный оркестр электронов в сверхпроводнике легко сбить с ритма. Тепловые толчки разрушают хрупкий порядок, и сопротивление возвращается. Десятилетиями учёные искали способы укрепить этот ансамбль — в основном меняя состав материала или сжимая его до немыслимых давлений. Но есть и третий, почти бестелесный инструмент: пустота, наполненная электромагнитным гулом.

Переключатель, который сам знает, куда течь. Так работает джозефсоновский диод — сверхпроводящий мостик, где ток в одну сторону идёт охотно, а в другую — упирается. В новой работе такой мостик сделали из графена — листа углерода толщиной в один атом. Эффект проявился, когда на устройство подали слабое магнитное поле — всего несколько миллитесла.

Гончар острым резцом наносит узор на ещё сырую глиняную плитку. Одно неверное движение — и линия расплывается, а плитка трескается. Примерно так же физики работают с плёнками высокотемпературного сверхпроводника YBCO (соединение иттрия, бария, меди и кислорода). Только резец у них — тончайший пучок ионов гелия, а плитка — слой керамики толщиной в сотни атомов.

В мутной грязи, между двумя электродами, выстраиваются длинные цепочки бактерий — тонкие, как микроскопический кабель. Каждая такая нить проводит ток на целый сантиметр, для микроба это настоящий марафон. Секрет в волокнах, вшитых прямо в оболочку клеток: по ним электричество бежит почти без потерь, как по медной жиле.

Карусель с сиденьями двух типов: одни крутятся по часовой стрелке, другие — против. Если толкнуть сразу все, карусель дёрнется, но останется на месте. Так устроен кристалл вейлевского полуметалла: электроны в нём рождаются парами — «левый» и «правый», и их вклады в ток гасят друг друга, как два одинаковых мотора, включённых навстречу. Физики нашли способ толкать только один сорт сидений.

Обычный диод в электронике работает как дорога с односторонним движением: ток идёт только в одну сторону. В сверхпроводниках, где электричество течёт без сопротивления, подобное поведение долго оставалось труднодостижимым — ток обычно симметричен. Авторы новой работы нашли способ создать идеальный сверхпроводящий диод с помощью света.

Два тонких слоя полупроводника повернули друг относительно друга на 2,29 градуса — как два листа прозрачной бумаги с нарисованными сетками. Там, где линии почти совпадают, возникает крупный узор из тёмных и светлых пятен. Электроны в этом узоре ведут себя совсем не так, как в обычном кристалле.

Мост из двух рядов досок прогибается под ногами пешеходов — и каждый шаг получает помощь от упругого движения настила. Похожий принцип лежит в основе сверхпроводимости: электроны скользят без сопротивления, потому что атомная решётка сама подстраивается под них. В материалах на основе никеля эта картина долго не складывалась.

Электрический ток в проводе похож на толпу людей, спешащих по коридору. Обычно каждый сталкивается со стенами и теряет скорость почти мгновенно — это и есть электрическое сопротивление. Но в некоторых материалах, как в здании с боковыми залами, носители заряда могут надолго заходить в особые «карманы» (энергетические долины) или подолгу сохранять энергию после толчка.

Два тонких, как бумага, листа полупроводника накладывают друг на друга и слегка поворачивают — градуса на три-четыре. Атомные решётки не совпадают, и возникает крупный узор — муар, похожий на рябь от двух стиральных досок, сдвинутых на малый угол. В этом узоре электроны движутся совсем не так, как в обычном кристалле.

Свет оставляет след, даже когда его почти нет. Отдельный фотон — крошечный сгусток энергии — падает на кремниевую пластинку и выбивает горстку электронов. Беда в том, что горстка слишком мала, чтобы её заметить. Нужен усилитель. Обычно сигнал усиливают, прикладывая напряжение к металлическим контактам на поверхности детектора.

Алмаз — самый твёрдый природный материал, и обычно он не проводит электричество. Но если добавить в его кристаллическую решётку немного чужеродных атомов, он может стать полупроводником, как кремний в компьютерных чипах.

Ткань, которая тянется только вдоль, но не поперёк. Примерно так устроен полудираковский материал: в нём электроны могут свободно двигаться в одном направлении, а в другом — почти не сдвигаются с места. Из-за этой необычной анизотропии на краях двумерного кристалла возникают особые дорожки — одномерные каналы. По ним электроны бегут только вдоль периметра, словно вода по жёлобу.

Лист теллурида вольфрама толщиной в один атом напоминает тонкую фольгу: сквозь неё электроны не проходят, потому что между их возможными состояниями лежит запрещённая зона — как ров, который нельзя перепрыгнуть. Добавили ещё два слоя — и ров исчез, материал стал металлом, ток пошёл. А когда слоёв стало больше, свойства снова изменились, будто кто-то переключает режимы одной кнопкой.

Среди магнитов есть тихие мастера перевоплощений. Обычный магнит притягивает скрепки и имеет два полюса — север и юг. А есть материалы, которые внутри устроены как магнитная шахматная доска: их атомы выстроены в строгом порядке, но снаружи материал ведёт себя нейтрально, как будто магнита нет вовсе. Такие вещества называют альтермагнетиками.

Когда вы нажимаете выключатель, свет загорается не сразу — электронам в проводах нужно время, чтобы «раскачаться» и дружно двинуться в путь. В обычных металлах и полупроводниках ток набирает силу постепенно, как вода в шланге, когда кран только открыли.

В тонком канале полупроводника электроны ведут себя не как одиночки, а как толпа в час пик. Они то и дело сталкиваются друг с другом, и от этих столкновений зависит, насколько легко тепло и электрический ток проходят через материал. Обычно эти два потока идут рука об руку: хороший проводник электричества так же хорошо проводит тепло.

Сверхпроводник — это материал, который при сильном охлаждении теряет электрическое сопротивление: ток по нему течет без потерь. Ученые взяли слоистый кристалл PdTe2, похожий на стопку листов бумаги, и охладили его до температуры ниже 1,8 кельвина (это примерно -271°C). В таких условиях PdTe2 становится сверхпроводящим.

Сверхпроводник — это материал, по которому ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но чтобы труба стала идеальной, её нужно охладить до очень низкой температуры. Физики давно ищут способы сделать такую трубу при температуре потеплее, и одна из подсказок — квантовая критическая точка.

Обычный транзистор в телефоне создают в вакуумной камере, где атомы осаждаются слой за слоем. Дорого и долго. Но оксид индия можно напечатать как чернила — из капли жидкого металла, которая на воздухе сама покрывается тонкой оксидной плёнкой. Авторы взяли индий, расплавили его и прокатали по подложке при 250 градусах.

Тонкая проволока из нового материала проводит электричество без потерь, если её остудить до трёх градусов выше абсолютного нуля. Это как вода, которая течёт по трубе, не встречая трения о стенки. Материал называется PtPb3Bi, и его особенность — внутреннее устройство, похожее на пучок нитей: электроны свободно бегут вдоль нити, но с трудом перескакивают между нитями.

Кристалл растёт в горячем растворе, как леденец на палочке в сахарном сиропе. Только вместо сахара — оксид германия, а вместо палочки — крошечная затравка. Меняя состав раствора, можно заставить кристалл расти быстрее, менять форму граней или вообще превратиться в сросток множества мелких кристалликов. Учёные выращивали кристаллы оксида германия из смеси оксида молибдена и карбоната лития.

В молекуле, структурно подобной хлорофиллу и построенной из углерода, центральный атом металла действует как тумблер. Смещение этого атома на доли нанометра позволяет обратимо включать, гасить или усиливать люминесценцию молекулы в сотни раз.

Кристалл германия с оловом похож на мозаику, где каждая плитка — атом. Если выкладывать плитки как попало, цвет мозаики один, а если собрать их в узор — другой. Физики измерили, как узор из атомов меняет важнейшее свойство полупроводника — его запрещённую зону, то есть энергию, которую нужно дать электрону, чтобы он начал двигаться и создавать ток.

Сверхпроводник — это материал, который проводит ток без потерь, но только при очень низкой температуре. На такой материал положили плёнку магнитного вещества толщиной в один атом. Магнетизм и сверхпроводимость обычно не дружат, и физики надеялись увидеть что-то необычное на границе двух материалов.

Лист графена толщиной в один атом — как гибкая металлическая сетка, по которой электроны носятся почти без препятствий. Сложите два таких листа с небольшим сдвигом, и свойства материала резко меняются: он может стать изолятором, не пропускающим ток.