U = RI           Да, не все так странно в наномасштабах. Проводники, которые по своим размерам должны бы подчиняться выморочным законам квантовой механики, вместо этого могут обладать теми же свойствами, что и обычные электрические провода из макромира. Это открытие создает новые перспективы для обычных компьютеров, поскольку очень тонкие проводники необходимы для производства все более миниатюрных чипов. С другой стороны, квантовым компьютерам, на которые сейчас возлагается немало надежд, здесь, видимо, ничего не светит.

            Пока что обычные компьютеры следовали закону Мура: плотность упаковки транзисторов, которые содержат обычные чипы, основанные на интегральных микросхемах, удваивалась примерно каждые два года, принося потребителям все большую производительность со все меньших устройств.

            Однако, создавать все более тонкие контакты, соединяющие устройства на кремниевом чипе, становится все сложнее, по мере приближения к теоретическому пределу применимости классической физики. Когда толщина проводников падает до нескольких десятков нанометров, их сопротивление резко возрастает, так как электроны начинают взаимодействовать с близкорасположенными поверхностями, теряя больше энергии и снижая, таким образом, эффективность.

            А также, при достижении проводниками наномасштабов, квантовая механика обычно берет верх над классической физикой. К примеру, вся проводящая «дорожка» может пребывать в «суперпозиции состояний» из-за свойства, называемого квантовой когерентностью. Волновые свойства электронов в проводнике могут привести к их интерференции, что полностью порушит электрические свойства, которых можно было бы ожидать от подобного проводника на больших масштабах длины (и толщины).

            И вот теперь, Мишель Симмонз (Michelle Simmons) из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее (University of New South Wales) с коллегами протравила каналы в кремниевом чипе толщиной всего 1.5 нанометра, — которые при этом ведут себя, как обычные толстые проволоки. Заметим, что это всего лишь в 15 раз больше диаметра самого маленького атома – водородного.

            Весь фокус-покус заключается в добавлении в материал проводников атомов фосфора, которые служат поставщиками электронов. Эти электроны могут свободно двигаться и проводить электричество, превращая, таким образом, каждый канал в нанопроводник. Поскольку вся дорожка, за исключением концов заключена в кремний, она оказывается изолированной от остальных поверхностей, которые могли бы нарушить ее проводимость.

            Ученые обнаружили, что эти дорожки проводят электричество почти так же хорошо, как сделанные по последнему писку науки и техники медные соединения в современных микропроцессорах, — несмотря на то, что они гораздо тоньше. Более того, когда исследователи протравили дорожки разной длины, оказалось, что они подчиняются закону Ома! Их сопротивление растет с увеличением длины – характерное свойство не квантовых, но «классических» проводников.

            Отсутствие квантово-механических свойств просто поразительно, отмечает Дэвид Ферри (David Ferry) из Аризонского Государственного Университета в Темпе (Arizona State University) – в особенности, если учесть, что эксперименты проводились при температуре всего 4.2 К. «Обычно, когда вы переходите к таким низким температурам, вы ожидаете, что квантовая механика будет доминировать. И вот здесь у них закон Ома, что предполагает классическое поведение, как при комнатной температуре», — констатирует он.

            По его расчетам, большое количество атомов фосфора в проводнике обеспечивает очень высокую концентрацию электронов (вплоть до 1021 см-3, или 1 электрон в кубическом нанометре), и их взаимное рассеяние нарушает квантовую когерентность, приводя к классическому поведению проводника.

            Это обещает хорошие результаты и при более высоких температурах. «Если они ведут себя по классическим законам при низкой температуре, то они должны также подчиняться этим законам при комнатной температуре», — полагает Симмонз.

           В самом деле, утверждает она, эти новые дорожки – прекрасная новость для тех, кто надеется на получение как никогда более миниатюрных компьютерных устройств: «Все это показывает, что мы можем поддерживать низкое сопротивление и делать очень тонкие проводящие дорожки, что, очевидно, является основным требованием для уменьшения размеров устройств в сторону атомарного масштаба длин».

           Перспективы применения таких дорожек в квантовых компьютерах менее очевидны. Группе Симмонз уже удалось показать, что отдельные атомы фосфора могут существовать в суперпозиции спиновых состояний, создавая, таким образом, квантовые биты, или кубиты, необходимые для квантовых вычислений. Они полагают, что созданные ими нанодорожки могли бы соединять кубиты между собой и помочь в создании квантовых цепей.

           Ферри считает иначе: «Это отсутствие квантовой когерентности хорошо для закона Мура, но плохо для квантовых вычислений, так как для квантовых вычислений нужна квантовая когерентность. Оно может сделать появление квантовых компьютеров менее вероятным».

Источник: Science, DOI: 10.1126/science.1214319

GD Star Rating
loading...
Тончайшие проводники против квантовой механики, 10.0 out of 10 based on 2 ratings

Добавить комментарий