Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде выяснили, как управлять электрическим током в кристаллическом кремнии — материале, на котором держится вся современная электроника. Открытие может привести к созданию более компактных, быстрых и энергоэффективных устройств, если научиться контролировать квантовое поведение электронов.

На квантовом уровне электроны ведут себя не как частицы, а как волны. Исследователи доказали, что симметричную структуру молекул кремния можно настроить так, чтобы включать или подавлять эффект деструктивной интерференции — явления, которое способно полностью блокировать проводимость. По сути, это молекулярный выключатель.

Деструктивная интерференция — когда две волны (например, электронные) складываются так, что их гребни и впадины взаимно гасят друг друга. В результате энергия не передается, а проводимость падает до нуля.

Мы обнаружили, что если придать микроскопическим структурам кремния строгую симметрию, они гасят поток электронов, как наушники с шумоподавлением, — объясняет Тим Су, профессор химии и руководитель исследования. — Но главное — этим можно управлять.

Работа, опубликованная в издании Journal of the American Chemical Society, впервые детально описывает движение электричества через кремний на атомном уровне.

Это открытие особенно актуально сейчас, когда традиционные методы миниатюризации кремниевых чипов уперлись в физические пределы. Десятилетиями инженеры уменьшали транзисторы, вытравливая их на пластинах, или добавляли примеси для контроля проводимости. Но на масштабах в несколько нанометров начинают мешать квантовые эффекты — например, электроны «просачиваются» через изоляторы.

Группа Су пошла другим путем: вместо того чтобы уменьшать кремний, они собирали его молекулы  «с нуля», точно контролируя расположение атомов. Такой подход позволил напрямую влиять на движение электронов.

Наше исследование показывает, что симметрия молекулы кремния создает интерференцию, которая либо пропускает ток, либо останавливает его, — говорит Су. — И мы можем включать этот эффект, просто меняя ориентацию электродов.

Хотя идея использовать квантовую интерференцию в электронике не нова, это первое доказательство ее работы в трехмерном кремнии с алмазоподобной структурой — именно такой применяется в современных чипах.

Помимо сверхмалых переключателей, открытие может пригодиться в создании:

• Термоэлектрических устройств, превращающих тепло в электричество.
• Компонентов для квантовых компьютеров на привычных материалах.

Это не просто улучшение старой технологии, — подчеркивает Су. — Это новый взгляд на то, что может кремний.

Практическая ценность работы — в потенциальном преодолении  «квантового барьера» в микроэлектронике. Современные транзисторы почти достигли предела миниатюризации: при размерах менее 3 нм начинаются утечки тока из-за туннелирования электронов. Если технология управления интерференцией будет масштабирована, это позволит:

• Создавать чипы с меньшим энергопотреблением (актуально для IoT и мобильных устройств).
• Увеличить скорость переключения логических элементов за счет квантовых эффектов.
• Упростить производство — «сборка» молекул снизит зависимость от литографии.

Для термоэлектрики важно то, что интерференция может подавлять паразитную проводимость, повышая КПД преобразования тепла.

Главный вопрос — насколько метод  «снизу вверх» применим в массовом производстве. Пока речь идет о лабораторных молекулярных структурах, а не о полноценных чипах. Возможные проблемы:

• Высокая себестоимость «сборки» против традиционного травления.
• Трудности согласования новых элементов с существующей КМОП-логикой.

Ранее ученые превратили квантовую странность в инструмент.