Исследователи из США впервые зафиксировали реакцию у опытного образца транзистора, функционирующего на принципе волны зарядовой плотности. Мощность полученного сигнала оказалась в 10–100 раз выше, чем предсказывалось на основе напряжения на управляющем элементе. Это даёт возможность для разработки сверхэнергоэффективных транзисторов с большими выходными токами. При этом существующие методы производства микросхем, скорее всего, не потребуют кардинальных изменений.
Источник изображения: UCLA
В определённых материалах и при особых условиях электроны начинают перемещаться скоординированно, демонстрируя свою волновую сущность. Этот феномен носит название волна зарядовой плотности (ВЗП). Группа учёных из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) под руководством профессора Александра Баландина впервые сумела количественно измерить реакцию электронного устройства, основанного на данном эффекте.
В эксперименте применялся трисульфид тантала (o-TaS3) — квазиодномерный материал, где электроны и кристаллическая решётка формируют синхронизированное состояние, именуемое электронно-решёточным конденсатом. Именно он выступает средой для распространения волн зарядовой плотности. В отличие от стандартной проводимости, при которой носители заряда рассматриваются как отдельные частицы, здесь они реагируют на внешние воздействия коллективно.
Для проведения опыта исследователи создали наномасштабные прототипы полевых транзисторов на базе кристаллов TaS3 толщиной всего в несколько нанометров. Электрическое поле генерировалось затвором, а радиочастотные замеры позволяли фиксировать изменения плотности заряда в состоянии волны зарядовой плотности. Главный итог оказался неожиданным: изменения плотности заряда в конденсате в десять-сто раз превышали показатели, предсказанные с учётом лишь геометрии затвора. Другими словами, материал реагировал на управляющее поле гораздо интенсивнее, чем традиционные полупроводники.
Даже незначительное внешнее воздействие оказалось способно перестраивать весь конденсат, вызывая отклик, который существенно превосходит обычную полевую модуляцию в стандартном полупроводниковом канале. Авторы также впервые смогли выделить вклад отдельных электронов и коллективного состояния волны зарядовой плотности, измерить его квантовую ёмкость и построить зонную диаграмму такого транзистора.
Практическая значимость данной работы обусловлена тем, что архитектура экспериментальных устройств схожа с конструкциями, которые уже применяются в кремниевой микроэлектронике: канал, затвор и управление с помощью электрического поля. На данный момент речь идет лишь о демонстрации принципа, а не о полноценном транзисторе. Однако полученные результаты указывают на альтернативный способ управления током при более низких напряжениях и с меньшими энергетическими затратами. Если этот подход удастся масштабировать, материалы с волнами зарядовой плотности могут быть использованы в новых энергоэффективных транзисторах, элементах памяти и других компонентах электроники будущего, где усиление сигнала достигается не за счет повышения напряжения, а благодаря коллективному поведению электронов.
