Его толщина всего 3,3 нанометра, что в 25 000 раз тоньше листа бумаги.

Это было полной неожиданностью, — говорит профессор Шуолонг Ян. — Мы не ставили перед собой такую цель, но материал сам создал этот переход, и он один из самых тонких из известных.

Открытие может помочь в разработке сверхминиатюрных электронных компонентов и дает новое понимание поведения электронов в квантовых материалах.

Результаты опубликованы в издании Nanoscale.

Изначально исследователи из Чикагского университета и Университета Пенсильвании изучали электронные свойства соединения MnBi₆Te₁₀ — топологического материала с необычными свойствами. Например, он может проводить электричество по краям без сопротивления. Такие материалы рассматривают как основу для квантовых компьютеров и сверхэффективной электроники.

Чтобы материал работал правильно, распределение электронов в нем должно быть равномерным. Ученые попытались добиться этого, добавив в состав сурьму. Стандартные тесты показали, что материал в целом нейтрален.

Но когда команда Яна применила метод фотоэмиссионной спектроскопии с временным разрешением (trARPES), выяснилось, что внутри кристалла электроны распределены неравномерно. В одних участках их слишком много, в других — слишком мало. Это создало микроскопические встроенные электрические поля.

В идеальном квантовом материале заряды должны быть распределены равномерно, — объясняет аспирант Кхан Дюй Нгуен, ведущий автор исследования. — Но оказалось, что неравномерность не мешает, а дает новый полезный эффект.

Эти участки вели себя как p-n-переходы — ключевые элементы полупроводниковых диодов, которые используют в электронике. Но в отличие от искусственно созданных, эти переходы образовались сами по себе в структуре кристалла.

Почему это важно

• Такие естественные p-n-переходы могут упростить создание наноэлектроники.
• Они реагируют на свет, что полезно для спинтроники — технологии, где данные хранятся не в заряде, а в магнитном состоянии электронов.

Ученые предполагают, что добавление сурьмы привело к замене атомов марганца, из-за чего в материале возникли зоны с разным зарядом. Хотя это усложняет использование материала в квантовых вычислениях, открывает новые возможности в электронике.

Сейчас команда работает над созданием тонких пленок из этого материала, чтобы точнее управлять поведением электронов.

Этот случай снова доказывает, как важно заниматься фундаментальной наукой и быть открытым к неожиданным результатам, — говорит Ян. — Мы шли к одной цели, а нашли нечто совершенно другое, но не менее интересное.

Это открытие имеет несколько ключевых преимуществ:

• Миниатюризация электроники — естественные p-n-переходы могут упростить производство наноразмерных компонентов.
• Новые материалы для спинтроники — чувствительность к свету делает материал перспективным для альтернативных способов хранения данных.
• Понимание квантовых систем — неравномерное распределение электронов помогает лучше проектировать материалы для квантовых технологий.

Хотя открытие впечатляет, пока неясно, можно ли масштабировать этот эффект для массового производства. Естественные p-n-переходы могут оказаться слишком нестабильными или сложными в управлении.

Ранее ученые усовершенствовали полупроводниковые структуры для оптоэлектроники.