Ученые, занимающиеся исследованием передового квантового материала, обнаружили удивительный факт: его кристаллическая структура сама формирует один из самых тонких полупроводниковых переходов в мире — ключевой элемент многих современных электронных приборов. Ширина перехода составляет всего 3,3 нанометра, что приблизительно в 25 000 раз меньше толщины бумажного листа, пишет Phys.org.
По словам доцента Шуолонга Яна из Школы молекулярной инженерии имени Притцкера Чикагского университета, это стало настоящим сюрпризом: «Мы вовсе не стремились создать такое соединение, оно образовалось само собой, и оказалось одним из самых тонких среди известных нам».
Открытие дает возможность разрабатывать ультрамалые компоненты электроники и проливает свет на поведение электронов в материалах, используемых в квантовых технологиях. Его удалось достичь во время изучения электронной структуры соединения MnBi₆Te₁₀, представляющего собой особый класс веществ с уникальными характеристиками, такими как способность пропускать ток по своим границам практически без потерь энергии. Подобные материалы могли бы стать основой будущих квантовых компьютеров и высокоэффективных устройств.
Исследовательская группа слегка изменила химический состав материала MnBi₆Te₁₀ путем добавления в него сурьмы. Обычные электроизмерительные испытания показали, что полученный образец обладает нейтральным электрическим потенциалом. Более детальное изучение проводилось с использованием метода временной и угловой фотоэлектронной спектроскопии (trARPES), основанного на применении коротких лазерных импульсов для мониторинга перемещения электронов и изменений их энергий в режиме реального времени.
Оказалось, что распределение электронов внутри отдельных слоев кристаллов, состоящих всего из нескольких атомов, было далеко не равномерным. Электроны группировались в определенных участках, оставляя остальные зоны обедненными. Таким образом, возникли микроскопические внутренние электрические поля непосредственно внутри материала.
Выявленные участки стали действовать подобно p-n-переходам — типу полупроводниковых элементов, содержащих внутренние электрические поля и применяемых для производства диодов, широко используемых в обычных приборах вроде смартфонов и ПК. Отличие заключается в том, что эти p-n-переходы возникают самостоятельно в самой структуре кристалла, в то время как обычные создаются искусственно. Эффект особенно интересен для квантовых и электронных разработок будущего, поскольку образующиеся естественным путем p-n-переходы чрезвычайно восприимчивы к воздействию света.
Ученые смоделировали происходящие в кристалле MnBi₆Te₁₀ процессы и предложили теорию формирования p-n-переходов. По их мнению, внедрение сурьмы в состав вызывает обмен атомами марганца и сурьмы, приводящий к неоднородному распределению зарядов в материале.
Тем временем в США разработали лазер с предельной мощностью в 2 ПВт. Рассказали подробнее об этой разработке в другом материале Hi-Tech Mail.