В поисках альтернативы применению силикона в электронике, физики экспериментируют и с другими свойствами электронов помимо их заряда. В статье, опубликованной 7 декабря в журнале Science, команда исследователей, возглавляемая профессором Пенсильванского университета Юн Цзю, описывает способ управления электронами, основанными на взаимосвязи их энергии с динамикой — так называемую «долинную степень свободы».
«Представьте, что электроны имеют окраску — они красные или синие, — рассказывает профессор Цзю. — И траектории их движения также окрашены в соответствующий цвет. Электроны могут двигаться только по линиям того же цвета, что и они сами. Поэтому, чтобы оказаться на красной линии, синему электрону нужно покраснеть».
Два года назад команда профессора Цзю продемонстрировала модель движения электронов, созданную в двухслойном графене. Использование цветовой кодировки делает модель топологической. Исследователи смоделировали пересечение четырех двунаправленных траекторий с разными цветовыми кодами, на котором их код меняется. Это можно описать как ситуацию, при которой машина синего цвета достигает перекрестка и не может двигаться дальше, поскольку любая из предлагаемых развилок — красная. Если электрон не поменяет свой цвет, его дальнейшее движение невозможно.
Так путем искуснейшей электронно-лучевой литографии были созданы волноводы, топология которых контролировала цветовой код траекторий. Для изменения цвета требуется междолинное рассеяние, которое в рамках эксперимента было сведено к минимуму, чтобы сохранялась возможность регулировать движение электронов.
«Нам удалось создать топологический изолятор, в основе действия которого лежит новый механизм управления потоком электронов, — говорит Цзю. — Наше исследование относится к валлетронике — пока что зарождающейся отрасти электроники. Именно управление топологией дало результат в нашем эксперименте».
В ходе работы ученые задались вопросом: что станет с условной синей «машиной», если у нее не будет возможности двигаться вперед?
«Ей придется свернуть налево или направо, — объясняет Цзинь Ли, бывший аспирант профессора Цзю, а ныне научный сотрудник Национальной лаборатории Лос-Аламоса. — У нас есть дополнительные способы управления движением: при поэтапном смещении полос движения к левому или правому повороту появляется возможность плавно менять соотношение между количеством электронов, поворачивающих в одну и в другую сторону: например, 60 и 40 процентов или любой другой вариант».
Такое управляемое разделение называется поляризационным расщепителем. Его воздействие на световые волны уже освоено, но он пока еще трудноприменим по отношению к электронам. Достигнутые в результате эксперимента возможности управления многоцветными дорожками воодушевили ученых, так как открывают простор для более сложных опытов.
«Чтобы создать соответствующий прибор управления, требуются многоэтапные эксперименты и очень сложная электронно-лучевая литография, — говорит Ли. — К счастью, технологии нанофабрикации, которыми располагает Пенсильванский университет, равно как и высокопрофессиональный технический персонал, дают нам такую возможность».
Следующая задача команды профессора Цзю — попытаться создать прибор, позволяющий управлять движением электронов при комнатной температуре, а не в чрезвычайно холодной среде, которая требуется сейчас. Цзю считает эту задачу посильной, хотя и требующей большого труда:
«Если в нашем распоряжении будет двухслойный графен и гексагональный нитрид бора, мы сможем создать целый «город» с сетью топологических «дорог» и беспрепятственно направлять по ним электроны в любом направлении. Это будет очень круто».