Двумерное олово может стать следующим "чудо-материалом"

staindex.jpg

Станен, как его называют учёные, может оказаться топологическим изолятором при температурах вплоть до точки закипания воды, что делает его отличным претендентом на звание следующего прорывного материала в электронике.

Международная группа учёных во главе с Шоучен Чжаном (Shoucheng Zhang) из Стэнфордского университета (США) показала, что двумерное олово способно стать очередным чудо-материалом.
С самого начала оговоримся: "чудо-материал" - это как "чудо-оружие". То есть если вы не умеете его применять, оно вам не поможет, и даже после создания чего-то, претендующего на такое гордое звание, часто нужны годы труда, чтобы воспользоваться его потенциалом. Отличный пример - графен. Двумерный углерод, одноатомная пластина которого показывает свойства, столь радикально отличающиеся от обычного графита. Понять, что у него огромное будущее, удалось давно, но внедрение его в практические приложения начинает происходить только сегодня.

Добавляя атомы фтора (жёлтые) к одноатомному слою олова (серый), исследователи надеются получить станен, способный идеально проводить электричество точно вдоль своих краёв (синие и красные стрелки) при температурах вплоть до 100 °С. (Иллюстрация Yong Xu / Tsinghua University; Greg Stewart / SLAC.)
И тем не менее, несмотря на все эти оговорки, слой олова одноатомной толщины, действительно, кажется обладающим рядом выдающихся качеств. Сами разработчики наказывают его "станен", от латинского stannum, что значит "олово" и , понятное дело, "графенового" суффикса.
На протяжении последнего десятилетия Чжан и его группа занимались изучением свойств класса материалов, известных как топологические изоляторы. Они проводят электричество только на своих внешних краях, в основной своей массе оставаясь диэлектриками. В итоге, когда их делают из одноатомного слоя какого-либо материала, края таких изоляторов проводят ток со стопроцентной эффективностью, причём при комнатной температуре.
"Волшебство топологических изоляторов в том, что по самой своей природе они заставляют электроны двигаться по чётко определённым полосам, без скоростных ограничений, как на немецком автобане, - говорит Чжан. - До тех пор, пока они остаются "на трассе" - краях поверхностей из такого материала - электроны будут путешествовать без сопротивления".
Исследуя структуры таких материалов, в 2006-2009 годах группа Чжана предсказала, что ряд соединений, такие как теллурид ртути и некоторые другие, будет обладать такими свойствами, и последующие эксперименты других групп подтвердили эту идею.
Тогда исследователи снова взялись за ту же часть таблицы Менделеева и решили попытать счастья с оловом.
Проведя необходимые расчёты, они пришли к выводу, что одноатомный слой олова будет топологическим изолятором для температур равных комнатной и даже несколько выше - а точнее, вплоть до 100 °С! Хотя это и теоретические расчёты, пока всё ещё проверяемые в лабораториях, предыдущие предсказания группы Чжана регулярно оправдывались, поэтому можно ожидать, что верным окажется и это.
Первым приложением для станена будет, полагает Чжан, соединение множества секций микропроцессора, что сегодня осуществляется с помощью обычных проводников, создающих "пробки" из электронов, что увеличивает энергопотребление и тепловыделение процессоров.
"В перспективе мы можем представить использование станена во множестве других компонентов микросхем, - считает Чжан. - Быть может, однажды мы даже можем назвать Кремниевую долину Оловянной, заменив станеном кремний в транзисторах".
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.
Подготовлено Компьюлентой по материалам Национальной ускорительной лаборатории SLAC.