Учёные заставили атомы танцевать с помощью лазера, открыв путь к электронике будущего

С помощью лазеров и современных микроскопов учёные смогли сдвигать атомы в дителлуриде вольфрама и менять его электронные свойства. Этот прорыв может открыть путь к следующему поколению мощных и эффективных технологий. Фото: Shutterstock

Исследователи из Университета штата Мичиган разработали метод использования быстрого лазера для «раскачивания» атомов, что временно меняет поведение материала. Этот новый подход может привести к созданию более компактной и энергоэффективной электроники, например смартфонов будущего.

Тайлер Кокер, доцент Колледжа естественных наук, и Хосе Л. Мендоса-Кортес, доцент инженерного колледжа и колледжа естественных наук, объединили экспериментальную и теоретическую стороны квантовой механики, чтобы расширить границы возможностей материалов для улучшения повседневных электронных технологий.

«Этот опыт напомнил нам, что такое наука на самом деле, потому что мы обнаружили материалы, которые работают не так, как мы ожидали», — сказал Кокер. — «Теперь мы хотим изучить то, что будет технологически интересно людям в будущем».

Используя материал под названием дителлурид вольфрама (WTe2), команда Кокера провела серию экспериментов, поместив этот материал под специально созданный микроскоп. В то время как обычные микроскопы используются для изучения объектов, невидимых человеческому глазу, сканирующий туннельный микроскоп Кокера может показывать отдельные атомы на поверхности материала. Это достигается за счёт перемещения чрезвычайно острого металлического наконечника над поверхностью, который «ощупывает» атомы через электрический сигнал, подобно чтению шрифта Брайля.

Наблюдая за атомами на поверхности WTe2, команда использовала сверхбыстрый лазер для создания терагерцовых импульсов света, движущихся со скоростью сотен триллионов раз в секунду. Эти импульсы были сфокусированы на наконечнике, где их сила значительно увеличивалась, позволяя исследователям «раскачивать» верхний слой атомов непосредственно под наконечником и слегка смещать его относительно нижних слоёв. Это можно сравнить со стопкой бумаг, где верхний лист слегка сдвинут.

При освещении лазерными импульсами верхний слой материала вёл себя иначе, демонстрируя новые электронные свойства, не наблюдаемые при выключенном лазере. Кокер и его команда осознали, что терагерцовые импульсы вместе с наконечником можно использовать как наноразмерный переключатель для временного изменения электрических свойств WTe2, что может улучшить следующее поколение устройств. Микроскоп Кокера мог даже видеть движение атомов в этом процессе и фиксировать уникальные состояния «включено» и «выключено» созданного переключателя.

Когда Кокер и Мендоса-Кортес поняли, что работают над схожими проектами с разных сторон, экспериментальная сторона Кокера объединилась с теоретической стороной Мендосы в области квантовой механики. Исследование Мендосы-Кортеса сосредоточено на создании компьютерных симуляций. Сравнивая результаты квантовых расчётов Мендосы с экспериментами Кокера, обе лаборатории независимо друг от друга и с использованием разных инструментов пришли к одинаковым результатам.

«Наши исследования дополняют друг друга; это те же наблюдения, но через разные линзы», — сказал Мендоса-Кортес. — «Когда наша модель совпала с выводами их экспериментов, у нас сложилась более полная картина происходящего».

Лаборатория Мендосы вычислила, что слои WTe2 смещаются на 7 пикометров во время «раскачивания», что сложно наблюдать только с помощью специализированного микроскопа. Кроме того, они смогли подтвердить, что частоты, на которых колеблются атомы, совпадают в эксперименте и теории, но квантовые расчёты могут показать, в каком направлении и насколько они движутся.

«Движение происходит только в самом верхнем слое, поэтому оно очень локализовано», — сказал Даниэль Мальдонадо-Лопес, аспирант четвертого курса лаборатории Мендосы. — «Это потенциально можно применить для создания более быстрой и компактной электроники».

Кокер и Мендоса-Кортес надеются, что это исследование приведёт к использованию новых материалов, снижению затрат, увеличению скорости и повышению энергоэффективности будущих телефонов и компьютерных технологий.

«Когда вы думаете о своём смартфоне или ноутбуке, все компоненты в них сделаны из какого-то материала», — сказала Стефани Адамс, аспирантка четвертого курса лаборатории Кокера. — «В какой-то момент кто-то решил, что это тот материал, который мы будем использовать».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Photonics и частично поддержано вычислительными ресурсами и услугами Института кибер-исследований Университета штата Мичиган.

Почему это важно:

• «Раскачивание» атомов в новых квантовых материалах может привести к созданию более эффективной электроники, которая будет меньше и быстрее.
• Эти новые материалы обладают удивительными свойствами и могут стать ключевыми элементами для квантовых компьютеров следующего поколения.