Одинарный слой атомов олова может стать первым материалом в мире, способным проводить электричество с КПД в 100%, на температуре, при которой работают компьютерные микросхемы. Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) назвали новый материал “станеном”: от латинского “stannum” (олово) и суффикса -ен из слова “графен” (другого революционного однослойного материала).
“Станен сможет повысить скорость и снизить энергозатраты будущих поколений микросхем – если наши прогнозы подтвердятся в ходе экспериментов, которые сейчас проводятся в нескольких лабораториях по всему миру”, – рассказывает глава исследовательской группы Шоучэн Чзан (Shoucheng Zhang), профессор физики Стэнфордского университета.
Последние десять лет Чзан и его коллеги рассчитывали и прогнозировали электронные свойства особого класса материалов – топологических изоляторов. Они проводят электричество только через свою поверхность или внешний край. Толщина топологических изоляторов не превышает одного атома, а при этом их края проводят ток со 100%-ной эффективностью. Необычные свойства этих материалов проистекают из сложных взаимодействий между электронами и ядрами атомов тяжелых элементов в них.
“Магия топологических изоляторов в том, что по самой природе своей они заставляют электроны двигаться по отдельным “полосам” без ограничения скорости – как на немецких автобанах. Как только электроны попадают на “скоростную автостраду” – края или поверхности – они не встречают никакого сопротивления”, – рассказывает Чзан.
В 2006 и 2009 году группа Чзана предположила, что лучшим топологическим изолятором будет теллурид ртути, а также несколько комбинаций висмута, сурьмы, селена и теллура – и чужие эксперименты подтвердили их правоту. Однако ни один из этих материалов не способен качественно проводить электричество при комнатной температуре, что ограничивает их коммерческий потенциал.
В начале этого года приглашенный профессор Юн Сюй (Yong Xu), сейчас работающий в университете Циньхуа (Пекин), вместе с группой Чзана стал изучать свойства одноатомного слоя чистого олова.
“Мы знали, что стоит рассмотреть элементы на нижней правой части периодической таблицы элементов. Все предыдущие топологические изоляторы работали с тамошними тяжелыми и богатыми электронами элементами”, – рассказывает Сюй.
Расчеты ученых показали, что единичный слой олова будет служит хорошим топологическим изолятором при комнатной температуре. А если добавить туда атомы фтора, то его эксплуатационный диапазон повысится как минимум до 100 градусов по Цельсию.
Для начала станен-фторный материал пригодится для проводки, соединяющей множество частей микропроцессора, позволяя электронам течь так же свободно, как машинам по автостраде. Все скопления “автомобилей” уйдут к “съездам” и “выездам”, изготовленным из обычных проводников. Станеновая проводка позволит серьезно снизить энергопотребление и теплообразование микропроцессоров.
Однако в производстве станена ожидается немало трудностей – будет нелегко обеспечить осаждение ровного одного слоя олова и сохранение его в неповрежденном виде при высокой температуре, необходимой для изготовления микросхем.
“Со временем станен может найти себе применение в самых разных электросхемах, даже заменить кремний в транзисторах. Кто знает, не придется ли переименовать Кремниевую долину в Оловянную долину”, – заявил Чзан.