Невидимость может быть ключом к более совершенной электронике

Ученые применили технологию, разработанную для визуального скрытия, чтобы произвести более эффективную передачу электронов.

Новый метод, который позволяет сделать объекты невидимыми, теперь применен в совершенно иной области: это позволило скрыть частицы от мимолетных электронов, что может привести к созданию более эффективных термоэлектрических устройств и новых видов электроники.

Концепция, созданная аспирантом Болин Ляохэ из Массачусетского технологического института, доцентом Моной Зебарьяди, исследователем Кейваном Эсфарьяни и профессором машиностроения Ганом Ченом, описана в издании Physical Review Letters.

Обычно электроны проходят через материал путем, подобным движению электромагнитных волн, включая свет; их поведение может быть описано волновыми уравнениями. Это натолкнуло ученых на идею использования механизмов скрытия, разработанных для укрытия объектов из вида, однако применили они эти механизмы к движению электронов, которое является ключевым для электронных и термоэлектрических устройств.

Предыдущая работа по сокрытию объектов из вида основывалась на так называемых метаматериалах, сделанных из искусственных материалов с необычными свойствами. Композитные структуры, используемые для скрытия, заставляют лучи свет огибать объект и встречаться уже на другой его стороне, как ни в чем не бывало, в результате чего объект становится практически невидимым.

«Нас вдохновила эта идея», сказал Чен, который решил выяснить, можно ли то же самое сделать с электронами, а не с фотонами. Новый процесс, как выяснилось, существенно отличен.

Исследователи смоделировали наночастицы с ядром из одного материала и оболочкой из другого. В этом случае, вместо обхода объекта электроны действительно фактически проходят сквозь частицы: сначала они обходят частицы, затем возвращаются к начальной траектории.

В компьютерных моделях концепция работает. Теперь ученые намерены построить фактические устройства, чтобы проверить, будет ли в реальности все так, как в виртуальном мире. „Это был первый шаг, теоретическое предложение“, сказал Ляохэ. „Мы хотим продолжить дальнейшее исследование, чтобы изготовить реальные устройства“.

В то время как начальная концепция была создана с использованием частиц, вложенных в нормальную полупроводниковую подложку, ученые решили выяснить, могут ли результаты копироваться с другими материалами, такими как двухмерные листы графена, способные предложить любопытные дополнительные свойства.

Первый шаг ученых — оптимизация материалов, используемых в термоэлектрических устройствах, которые производят электрический ток из температурного градиента. Такие устройства требуют комбинации труднодостижимых характеристик: высокую электрическую проводимость (чтобы ток тек свободно), но низкую теплопроводность (чтобы поддерживать температурный градиент). Два типа проводимости сосуществуют, а потому немногие материалы предлагают эти противоположные особенности. Модели ученых показывают, что этот скрывающий электроны материал может отвечать данным требованиям в достаточной степени.

Модели используют частицы размером несколько нанометров, что соответствует длине волны текущих электронов и улучшает поток электронов на специфических энергетических уровнях на порядки величин, если сравнивать с традиционными стратегиями легирования. Это может привести к более эффективным фильтрам или датчикам. Поскольку компоненты компьютерных микросхем становятся меньше, Чен говорит, что необходимо придумать методы управления передачей электронов, и новый метод может оказаться полезным.

Концепция также может привести к новому виду выключателей для электронных устройств, отметил Чен. „Мы не уверены, как далеко технология может зайти, но потенциала для применения хватает“, заключил он.

15.10.2012