Физики решили 65-летнюю загадку взаимодействия электронов в квантовых материалах
Logo
Cover

Физики Йельского университета описали новую модель взаимодействия электронов в так называемых дираковских материалах, к которым относится, например, графен и топологические диэлектрики, решив, тем самым, теоретическую проблему 65-летней давности.

Поведением электронов управляют две основные теории — закон Кулона и теория ферми-жидкости. Согласно второй, электроны в проводящих материалах ведут себя как жидкости — они как будто текут через материал. В случае дираковских фермионов теория ферми-жидкости нарушается, когда сила Кулона между электронами переходит определенный барьер — электроны «замерзают», и материал становится непроводящим.

Более 65 лет эта проблема считалась математическим курьезом, потому что дираковские материалы, в которых достигается барьер Кулона, в реальности не существовали. Сегодня, однако, наука достигла той стадии, когда квантовые материалы стали реально применяться в технологиях, и стало возможным придавать электронам желаемые свойства. Однако эффекты сильного электрон-электронного взаимодействия все еще можно наблюдать только в очень чистых образцах, пишет Phys.org.

Профессор Шафик Адам и его команда предложили модель, объясняющую взаимодействие электронов за пределами кулоновского барьера во всех дираковских материалах.

Они обнаружили, что ускорение электронов (скорость «потока») в материале может снизиться, если доминирует ближнее взаимодействие, свойственное непроводящему состоянию. Однако, ускорение электронов может повыситься благодаря дальнему компоненту модели, присущему проводящему или «жидкому» состоянию.

Понимание и применение новой модели позволит разработать технологии нового поколения. «Чем выше скорость электрона, тем быстрее могут включаться и выключаться транзисторы, — объясняет Адам. — Однако, ускоренная производительность процессора имеет свою цену в виде повышенной утечки энергии, которая выделяет лишнее тепло. Оно нейтрализует преимущество, достигнутое быстрым переключением. Наше открытие в поведении электронов поможет создавать устройства, способные к быстрому переключению при низкой утечке энергии».

Первый шаг к созданию молекулярных микросхем сделали ученые Швейцарии. Они поместили в поры на слое диэлектрика молекулы алкан-дитиола и нанесли поверх наночастицы золота. Вряд ли изобретение может конкурировать с кремниевыми полупроводниками, но ряд практических применений у него уже есть.