Обнаруженный механизм квантовых контактов может стать основой электронных устройств нового типа

Исследователи из Университета Амстердама, Пражского Университета, Сколково и МФТИ изучили квантовые контакты между проводниками во внешнем осциллирующем поле и пришли к выводу, что для определенных видов контактов с увеличением частоты осцилляций ток становится равен нулю. Этот механизм может найти применение при создании элементной базы электроники. Работа опубликована в журнале Physical Review B.

В основе работы современных электронных приборов лежат квантовые эффекты. Электроны проявляют и свойства частиц, и свойства волн, из-за чего возникают явления переноса заряда, которые очень чувствительны к внешним воздействиям, в частности к электрическим и магнитным полям. Особый интерес представляют квантовые точечные контакты — ширина контакта настолько мала, что в ней укладывается лишь несколько длин волн электронов — это сопоставимо с размером атома, то есть порядка нескольких ангстрем. Экспериментально такие контакты можно получить, если соединить два массивных электрода слоем двумерного электронного газа (то есть такого, где частицы могут двигаться свободно только в двух направлениях), а затем подвести пластины затвора, на который далее подается потенциал. Чем больше поданное напряжение, тем больше запрещенная для движения электронов область и уже контакт.

Авторы статьи теоретически исследовали два проводника, соединенные квантовым контактом, к которому приложены внешние осциллирующие поля. Начальные концентрации носителей заряда в проводниках предполагались различными. При небольшой частоте осцилляций через контакт течет ток, стремящийся выровнять концентрации. Однако, как выяснили ученые, для определенного типа контактов при частотах выше критической ток обнуляется, и концентрации никогда не выравниваются. Это проявление неравновесного фазового перехода — динамического явления, при котором свойства системы качественно различны по разные стороны от критического значения внешнего параметра (в данном случае — частоты осцилляций).

«Для того чтобы оценить необычность этого эффекта, можно провести такую аналогию. Представим себе два сосуда с водой, днища которых соединены трубкой. Если уровень воды в сосудах изначально разный, через трубку будет течь вода до тех пор, пока уровни не выровняются. Теперь представим, что мы начинаем трясти трубку и, если частота тряски превышает критическую, вода перестает течь, и разница уровней в сосуде остается не выровненной. С водой такого, конечно, на самом деле не произойдет, но зато именно это происходит с электронами, текущими через квантовый контакт, который “трясут” внешние электрические и магнитные поля», — объясняет обнаруженный эффект Олег Лычковский, старший научный сотрудник Сколковского института науки и технологий, Московского физико-технического института и Математического института имени В. А. Стеклова РАН.

Опубликованная работа может лечь в основу создания новых электронных наноэлементов, чей размер предопределяет широкий диапазон их возможных применений в технике.