Ученые научились получать электрический ток без затрат энергии - «Наука и технологии»

Группа китайских и японских ученых продемонстрировала, что в недалеком будущем может стать возможным создание нового класса электронных устройств, отличающихся крайне низким расходом энергии. Основой этих устройств станут тонкие пленки сложного материала, допированного хромом теллурида сурьмы-висмута (Cr-doped (Sb, Bi)2Te3). При чрезвычайно низкой температуре электрический ток течет по краям пленки этого материала без потерь энергии и для этого не требуется воздействия внешнего магнитного поля. Такое необычное явление происходит из-за уникальных ферромагнитных свойств материала, хотя ученым пока еще не до конца понятно, что же именно является причиной появления этих свойств у материала.

"В самом ближайшем времени мы займемся изучением тонкостей работы механизма, которые обеспечивает движение электрического тока без любых энергетических затрат. Хочется надеяться, что это приведет к созданию нового класса материалов, которые обеспечат такой же эффект и при комнатной температуре" - рассказывает Акио Кимура (Akio Kimura), профессор из университета Хиросимы (Hiroshima University).

Обнаруженное учеными явление в чем-то родственно квантовому эффекту Холла, открытому в 1980-х годах. В случае эффекта Холла электрический ток течет вдоль краев определенного материала без потерь энергии. Однако, для проявления эффекта Холла требуются чрезвычайно низкие температуры и достаточно сильное внешнее магнитное поле, что служит препятствием для широкого практического применения этого эффекта. Однако, ученые уже достаточно давно предполагали, что эта проблема может быть решена при помощи материалов, называемых топологическими изоляторами, которые обладают уникальными ферромагнитными свойствами. И всеми необходимыми для этого свойствами как раз и обладает допированный хромом теллурид сурьмы-висмута.

Возможность существования материалов - топологических изоляторов была обоснована в 2005 году, а первый из таких материалов был синтезирован в 2007 году. С электрической точки зрения такой материал не является ни проводником, ни изолятором, вместо этого он обладает рядом весьма экзотических свойств. Все это выглядит так, словно края этого материала являются токопроводящими, в то время, как центральная часть этого материала обладает изоляционными свойствами.

Поскольку тонкая пленка теллурида сурьмы-висмута является ферромагнетиком, то при чрезвычайно низких температурах в этом материале возникает весьма интересное явление. В этом материале спонтанно возникает электрический ток, которые без влияния внешнего магнитного поля начинает двигаться по краям материала, при этом, движение тока происходит совершенно без потерь энергии. Ученым уже известно некоторое время об столь экзотических свойствах этого материала, но им совершенно неизвестно, в результате каких процессов материал получает эти свойства. "Именно поэтому мы и выбрали теллурид сурьмы-висмута в качестве материала для наших исследований" - рассказывает профессор Кимура.

Поскольку хром является магнитным материалом, то его атомы являются крошечными магнитами атомарного размера. Ориентация полюсов таких атомарных магнитов обычно выравнивается и магнитные поля соседних атомов хрома ориентированы в одном направлении. Однако, достаточно большое расстояние, которое разделяет атомы хрома в теллуриде сурьмы-висмута, не позволяют им взаимодействовать достаточно сильно для того, чтобы превратить весь материал в стабильный ферромагнетик.

Атомы сурьмы и теллура, атомы немагнитных материалов, служат в роли своего рода проводников, посредством которых обеспечивается дополнительное взаимодействие между атомами хрома. И это открытие может стать основой способов, которые позволят увеличить критическую температуру материала, подняв ее до уровня комнатной температуры.

И в заключении следует заметить, что данные исследования проводились при помощи японского ускорителя SPring-8. "Мы никогда не смогли бы получить таких результатов без оборудования, которое имеется в наличии на комплексе SPring-8. Высокоточные датчики позволили нам зарегистрировать и измерить с очень высокой точностью очень слабые силы электромагнетизма, возникающие при взаимодействии атомов немагнитных элементов" - рассказывает профессор Кимура.