Физики-теоретики разработали «Святой Грааль» материаловедения

Графен представляет собой форму углерода, в которой атомы соединены сотовой структурой. Возможный «Святой Грааль» имеет такую же структуру, но выполнен из нанокристаллов ртути и теллура. В своей работе физики-теоретики показали, что этот материал сочетает в себе свойства графена с качествами, которых графен лишен. При комнатной температуре материал представляет собой полупроводник, а не проводник, так что он может быть использован для изготовления полевых транзисторов. И он удовлетворяет условиям, необходимым для реализации квантовой спинтроники, потому что он может обладать квантовым спиновым эффектом Холла при комнатной температуре.

Графен является первым обнаруженным материалом, в котором квазичастицы (электроны и дырки) двигаются так, как будто они не имеют массы. Это вызвано сотовой структурой из атомов углерода, которая определяет, что электроны ведут себя как релятивистские частицы. Однако графен не проявляет экзотического квантового спинового эффекта Холла даже при очень низких температурах. В поисках Святого Грааля вызовом для физиков-теоретиков было найти способ создать материал, который может проявлять квантовый спиновый эффект Холла при комнатной температуре в сотовой структуре.

Квантовый спиновый эффект Холла, который был предсказан в 1971 году, экспериментально был реализован только в 2006 г. проф. Лоренсом Моленкампом (Laurens Molenkamp) и его командой из Университета Вюрцбурга. Они использовали квантовые ямы теллурида ртути/теллурида кадмия при очень низкой температуре. Это вдохновило физиков-теоретиков, чтобы разработать несколько сотовых структур нанокристаллов теллурида ртути и рассчитать их свойства. Оказалось, что несколько структур обладают всеми свойствами Святого Грааля, которые они искали. В Утрехтском университете проф. Даниэлю Ванмаекельбергу (Daniël Vanmaekelbergh) уже удалось синтезировать такого типа сотовые структуры с помощью нанокристаллов кадмия селенида.

«Тем не менее, на данный момент проф. Лоренс Моленкамп является единственным экспертом в мире, работающим с теллуридом ртути. Таким образом, мы рады, что он заинтересовался синтезом сотовых структур, которые мы разработали из теллурида ртути, - сказала проф. Кристиане Мораиш Смит из Утрехтского университета. – Хотя до сих пор не представляется возможным реализовать это экспериментально, он ожидает, что необходимая технология будет доступна в течение короткого времени, учитывая изменения, которые происходят в его лаборатории прямо сейчас. Если нам удастся синтезировать структуру и материал действительно покажет уникальное сочетание экзотических свойств при комнатной температуре, как мы и прогнозировали, то откроется область фундаментальных исследований и технологических инноваций, которая лежит за пределами нашего воображения».

С одной стороны, материал может быть использован в спинтронике, технологии, которая может быть следующим шагом в ускорении компьютеров и Интернета. В спинтронике спин электрона используется вместо электрического заряда. Если все электроны со спином вверх двигаются влево, а все электроны со спином вниз вправо, то они создают спиновый ток вместо электрического. Спиновые токи могут взаимодействовать с наномагнетиками и привести к приложениям в контексте магнитной памяти с быстрыми чтением и записью.

Сотовая нанолента, образованная нанокристаллами HgTe. Атомы Hg – желтые, атомы Te – серые. Стрелки вдоль ленты указывают на распространение электронов в спиральных краевых состояниях, представляющих фазу квантового спинового эффекта Холла. Красный и синий цвета соответствуют верхнему и нижнему краю для спина вверх и нижнему и верхнему краю для спина вниз, соответственно

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365