Физики поймали рекордное переключение электричества

Красный лазер, направленный на образец магнетита, включает проводящее состояние всего за одну триллионную долю секунды

(иллюстрация Greg Stewart/SLAC).

Иллюстрация переключения: a - изначально образец обладает цельной атомной структурой, b - лазер нарушает структуру непроводящих тримеронов, c - образуются непроводящие островки проводимости (фиолетовый цвет)

(иллюстрация S. de Jong et al./Nature Materials).

Магнетит ≈ минерал, обладающий природными магнитными свойствами

(фото Norbert Kaiser/Wikimedia Commons).

Учёные из Национальной ускорительной лаборатории SLAC измерили время, которое потребовалось для перевода магнетита (минерала с природными магнитными свойствами) из не проводящего состояния в проводящее. Как выяснилось, это процесс занимает всего одну триллионную долю секунды, а это в тысячу раз быстрее, чем на самых современных транзисторах.

"Это исследование определило лимит скорости переключения электричества в данном материале", — поясняет ведущий автор исследования Роопали Кукреджа (Roopali Kukreja) из Стэнфордского университета.

Красный лазер видимого света, направленный на образец магнетита, включает проводящее состояние всего за одну триллионную долю секунды (иллюстрация Greg Stewart/SLAC).

В ходе эксперимента учёные использовали рентгеновский лазер на свободных электронах LCLS. Для начала учёные направили на образец магнетита луч лазера видимого света, который изменил электронную структуру материала на атомном уровне.

После этого минерал "подсветили" ультракороткой вспышкой рентгеновского излучения, вследствие чего физики смогли впервые изучить структурные и временные изменения в образце, вызванные первым лучом лазера.

Оказалось, что внутри материала образуются непроводящие "островки", окружённые проводящими областями. Эти островки изоляции, которые не проводят электрический ток, образованы "тримеронами". Тримероны представляют собой пирамидки из трёх атомов железа, которые "запирают" электрический заряд внутри себя. То, что они существуют, учёные выяснили лишь недавно — в 2012 году.

Иллюстрация переключения: a — изначально образец обладает цельной атомной структурой, b — лазер нарушает структуру непроводящих тримеронов, c — образуются непроводящие островки проводимости (фиолетовый цвет) (иллюстрация S. de Jong et al./Nature Materials).

Реструктуризация (а значит, и переход из непроводящего состояния в проводящее) началась всего через пару сотен квадриллионных долей секунды после того, как на минерал направили луч лазера.

Исследователи несколько раз меняли периодичность рентгеновских вспышек, чтобы в точности измерить, сколько времени потребовалось материалу для изменения состояния.

Статья физиков из Стэнфорда, которая вышла в журнале Nature Materials, описывает, как два состояния проводимости и непроводимости могут сосуществовать в одном материале одновременно. По словам авторов, их работа может лечь в основу технологий будущего, необходимых для создания транзисторов нового поколения.

Магнетит — минерал, обладающий природными магнитными свойствами (фото Norbert Kaiser/Wikimedia Commons).

Впрочем, у этой технологии есть и свои недостатки, препятствующие немедленному её внедрению на рынок. Магнетит должен быть охлаждён до -190 °С.

"Мы надеемся найти материал с похожими свойствами, который будет работать при комнатной температуре", — рассказывает Кукреджа в пресс-релизе.

К слову, они уже начали следующий этап своего исследования, главной целью которого является поиск материалов, работающих также эффективно при более высоких температурах. Теперь вместо магнетита в ход идут гибридные материалы. Успех уже есть, но до комнатных температур дело пока не дошло.

Главный постановщик эксперимента Герман Дюрр (Hermann Dürr) заявил, что полупроводники, используемые для производства современной электроники, безнадёжно устарели, и мир давно нуждается в куда более быстрых и компактных компьютерах.

Также по теме:
Физики научились включать и выключать магнитное поле графена 
Изобретён биологический транзистор, который поможет проводить вычисления прямо в клетках 
Установлен рекорд скорости передачи данных "по воздуху" 
Американские инженеры создали фотонный транзистор  
Инженеры собрали самый гибкий транзистор на нанотрубках