Учени създадоха прототип на свръхенергийно ефективен транзистор, базиран на квантовия ефект на груповото поведение на електроните

Електрическите полета контролират потока на заряд в съвременните електронни чипове, които захранват компютри, смартфони и други устройства, но с непрекъснатото намаляване на размерите на чиповете този подход достига физическите си граници. Сега екип от учени от Университета на Калифорния в Лос Анджелис (UCLA) показа, че малък електрически сигнал в прототип на свръхенергийно ефективен транзистор, базиран на квантовия ефект на груповото поведение на електроните може да предизвика реакция, над 100 пъти по-голяма от обичайно наблюдаваната в конвенционалните електронни материали, което потенциално отваря пътя към по-малки и по-енергийно ефективни устройства.

Проучването на учените разкри нов начин за контролиране на електричеството чрез използване на квантоподобно колективно състояние на материята, известно като вълна на плътността на заряда, при което електроните се движат заедно по синхронизиран начин, а не независимо един от друг. В изследването учените използваха трисулфид на тантал (o-TaS3) – квазиедномерен материал, в който електроните и кристалната решетка образуват съгласувано състояние, известно като електроно-решетъчен кондензат. Именно той служи като среда за разпространение на вълните на зарядната плътност. За разлика от обичайната проводимост, при която носителите на заряд се разглеждат като отделни частици, тук те реагират колективно на външно въздействие.

За целите на експеримента учените изработиха наномащабни прототипи на полеви транзистори на базата на кристали от TaS₃ с дебелина едва няколко нанометра. Електрическото поле се създаваше от затвора, а радиочестотните измервания позволяваха да се проследяват промените в плътността на заряда в състоянието на вълна на зарядната плътност. Ключовият резултат се оказа неочакван: промените в плътността на заряда в кондензата надвишаваха с един-два порядъка стойностите, които биха могли да се очакват, ако се съди само по геометрията на затвора. С други думи, материалът реагираше на управляващото поле много по-силно, отколкото обикновените полупроводници.

Дори слабо външно въздействие се оказа способно да преструктурира целия кондензат, създавайки сигнал, значително надвишаващ обичайната полева модулация в традиционния полупроводников канал. Авторите също така за първи път успяха да разделят приноса на отделните електрони и колективното състояние на вълната на плътността на заряда, да определят неговата квантова капацитет и да изградят зонална диаграма на такъв транзистор.

Практическият интерес на работата се състои в това, че архитектурата на експерименталните устройства наподобява структури, които вече се използват в силициевата микроелектроника: канал, затвор и управление чрез електрическо поле. Засега става дума само за демонстрация на концепцията, а не за готов транзистор. Въпреки това резултатите сочат алтернативен начин за управление на тока при по-ниски напрежения и енергиен разход. Ако този подход успее да бъде мащабиран, материалите с вълни на плътността на заряда могат да намерят приложение в нови транзистори с ниска мощност, паметни елементи и други компоненти на електрониката на бъдещето, където усилването на сигнала се осигурява не чрез повишаване на напрежението, а чрез колективното поведение на електроните.