Ученые научились "рисовать" и "стирать" квантово-электронные цепи при помощи света - «Наука и технологии»

Группа ученых из Чикагского и Пенсильванского университетов совершенно случайно обнаружила новый способ применения света для "рисования" и "стирания" элементов квантово-электронных схем в среде материала уникального класса, называемого топологическим изолятором. В отличие от самых современных методов нанопроизводства, основанных на химической обработке материалов, новая оптическая технология позволит создавать "перезаписываемые" квантово-электронные устройства, которые найдут применение в новых технологиях, таких, как низкопотребляющая электроника, спинтроника и сверхмощные квантовые компьютеры.

"Данное открытие стало полной неожиданностью" - рассказывает Дэвид Д. Ошалом (David D. Awschalom), профессор из Чикагского университета, - "Это - один из тех редких моментов в экспериментальной науке, когда совершенно случайное событие, спровоцированное осветительными приборами в нашей лаборатории, стало источником новой технологии, которая может оказать сильное влияние на дальнейшее развитие некоторых областей науки и техники".

Электроны, двигающиеся в среде топологических изоляторов, обладают особыми квантовыми свойствами, которые можно использовать в создании спинтроники, электроники, работающей за счет переноса вращения, спина, электронов, и квантовых компьютеров. Однако даже создание самых простых экспериментальных схем из топологических изоляторов является чрезвычайно трудным делом поскольку традиционные способы изготовления электроники имеют тенденцию разрушать структуру топологических изоляторов с их уникальным квантовым состоянием. Более того, даже кратковременный контакт этих материалов с обычным воздухом оказывает сильное негативное влияние на топологический изолятор.

Исследователи нашли способ управлять энергией электронов в топологическом изоляторе при помощи света, без необходимости прикасаться к материалу непосредственно. Области с разной энергией электронов используются для создания аналогов p-n переходов в среде топологического изолятора, на основе которых можно создавать более сложные аналоги электронных компонентов, к примеру, транзисторов.

Ключевым моментом новой технологии стал титанат стронция, материал, используемый исследователями в качестве подложки, на которой выращивались образцы топологических изоляторов. Этот материал обретает электрическую поляризацию, подвергаясь воздействию ультрафиолетового света, который присутствовал в слете люминесцентных ламп, освещавших помещение лаборатории. Электрическое поле от поляризованного титаната стронция проникало в слой топологического изолятора, изменяя его электронные свойства.

В дальнейших исследования ученые выяснили, что преднамеренная фокусировка луча света с определенной длиной волны на образцах позволяет буквально нарисовать некие электронные структуры, которые продолжают существовать после окончания воздействия света. "Теперь нам не требуется неделями торчать в чистых комнатах и бояться загрязнить наши образцы" - рассказывает Ошалом, - "Мы получили возможность сделать эскиз того, что нам требуется, нарисовать это лазером на топологическом изоляторе и измерить характеристики полученного устройства. Как только мы делаем все это, мы можем стереть созданную схему и нарисовать новую на этом же месте. Более того, все это делается крайне быстро, менее, чем за секунду времени".

Используя технологию оптического "рисования" ученые уже изготовили образцы устройств на топологических изоляторах и произвели эксперименты с ними в условиях сильных магнитных полей. При этом, все эти эксперименты, на которые в обычных условиях ушло бы несколько месяцев работы, были проведены буквально за несколько дней. Более того, эксперименты показали, что обнаруженный оптический эффект действует не только по отношению к топологическим изоляторам, но и воздействует на другие материалы, выращенные на подложках из титаната стронция.

"Самым захватывающим является то, что это можно применить по отношению к ряду самых разнообразных наноразмерных материалов, таких, как слои сложных оксидов, графен и переходные дихалькогениды, которые под воздействием влияния титаната стронция обретают совершенно новые физические и квантовые свойства".