Современные электронные устройства, от смартфонов до суперкомпьютеров, построены на транзисторах. Эти компоненты выступают в роли электронных переключателей и усилителей сигналов. Благодаря закону Мура, количество транзисторов на микросхеме удваивается каждые два года, что привело к значительному росту вычислительной мощности. Однако по мере миниатюризации транзисторов возникают фундаментальные проблемы, связанные с квантовыми эффектами, прежде всего, эффектом туннелирования.
В классических полевых транзисторах (MOSFET) существует так называемая «тирания Больцмана»: ограничение минимального напряжения переключения приблизительно 60 мВ/декаду. Это ограничение неизбежно приводит к высоким токам утечки и увеличенному энергопотреблению, особенно при масштабировании элементов до размеров в несколько нанометров. В результате дальнейшее уменьшение размеров транзисторов становится неэффективным и даже вредным, так как увеличивается нагрев и снижается надежность устройств.
Группа исследователей под руководством профессора Каустава Банерджи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре совместно с Университетом Райса представила принципиально новую конструкцию транзистора — атомарно-тонкий туннельный полевой транзистор (TFET). В основе устройства лежит квантовомеханический эффект туннелирования, позволяющий электронам преодолевать энергетические барьеры, которые классически были бы непреодолимы.
В качестве канала транзистора используется ультратонкий двумерный полупроводник — дисульфид молибдена (MoS₂), толщиной всего 1,3 нанометра. Источником электронов служит высоколегированный германий, а между ними расположен ван-дер-ваальсов зазор толщиной всего 0,34 нанометра. Такая вертикальная гетероструктура позволяет эффективно контролировать ток электрона через туннельный барьер, достигая рекордно низкого напряжения переключения около 0,1 В.
Важнейшим достижением данной разработки является преодоление «тирании Больцмана» — транзистор демонстрирует коэффициент переключения порядка 30 мВ/декаду, что вдвое ниже предела классических устройств. Это снижает энергопотребление более чем на 90% по сравнению с лучшими кремниевыми аналогами.
Альтернативный подход предложили ученые из Массачусетского технологического института (MIT), разработав трехмерный вертикальный нанопроволочный транзистор. В этой конструкции используются полупроводниковые гетероструктуры на основе антимонида галлия и арсенида индия, с диаметром нанопроволоки всего 6 нанометров.
Исследования группы профессора Хесуса дель Аламо показали, что благодаря квантовому туннелированию и эффектам квантового ограничения можно создать транзисторы, работающие при напряжениях значительно ниже традиционных MOSFET. Новая технология демонстрирует высокие токи и чрезвычайно крутые характеристики переключения, улучшая производительность в 20 раз по сравнению с аналогичными квантовыми транзисторами.
Квантовые транзисторы стали возможны благодаря прогрессу в области квантовых материалов, таких как двумерные слоистые полупроводники и топологические изоляторы. Эти материалы проявляют уникальные свойства, обусловленные квантовым ограничением и сильными электронными корреляциями.
Например, квантовые точки, открытые Алексом Экимовым и другими учеными, демонстрируют размер-зависимые энергетические уровни и настраиваемые оптические свойства, что позволяет создавать новые типы оптоэлектронных устройств, включая сверхчувствительные фотодетекторы и дисплеи.
Эффект квантового туннелирования был впервые теоретически описан в 1927 году Фридрихом Хундом и позже подтвержден Георгием Гамовым в объяснении альфа-распада. В 1957 году Лео Эсаки продемонстрировал первый туннельный диод, за что позднее получил Нобелевскую премию. Современные туннельные транзисторы используют аналогичные принципы, но с более совершенной наноструктурной архитектурой.
Принцип неопределенности Гейзенберга играет важную роль в таких технологиях, как электронная микроскопия и квантовая криптография. Например, сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), созданный Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году, использует туннелирование электронов для визуализации поверхностей с атомарным разрешением.
Квантовые явления не ограничиваются электроникой, но проявляются и в биологических системах. Например, туннелирование электронов играет центральную роль в фотосинтезе и дыхании, обеспечивая высокую эффективность преобразования энергии в митохондриях.
Исследования также показывают, что умеренные стрессоры (гормезис), такие как физические нагрузки или ограничение калорийности, улучшают «квантовую эффективность» митохондрий, замедляя процессы старения.
Еще одно перспективное направление — спинтроника, где информация кодируется не зарядом электрона, а его спином. Депонирование магнитных молекул на поверхности позволяет создавать устройства с высокой плотностью записи и минимальным энергопотреблением.
Для этого используются молекулы, такие как комплексы Mn₁₂ и лантаноидные фталоцианины, которые обладают стабильными магнитными состояниями даже при комнатной температуре.
Внедрение квантовых транзисторов способно кардинально изменить электронику, обеспечивая низкое энергопотребление, сверхкомпактность и высокую производительность. Благодаря интеграции квантовых материалов и нанотехнологий, ожидается не только продолжение миниатюризации, но и качественный скачок в развитии вычислительной техники, сенсоров и энергоэффективных систем.
Такие устройства найдут применение в смартфонах, медицинских приборах, носимых устройствах и крупных дата-центрах, существенно снижая потребляемую энергию и влияя на продолжительность работы батарей.
Изображение носит иллюстративный характер
В классических полевых транзисторах (MOSFET) существует так называемая «тирания Больцмана»: ограничение минимального напряжения переключения приблизительно 60 мВ/декаду. Это ограничение неизбежно приводит к высоким токам утечки и увеличенному энергопотреблению, особенно при масштабировании элементов до размеров в несколько нанометров. В результате дальнейшее уменьшение размеров транзисторов становится неэффективным и даже вредным, так как увеличивается нагрев и снижается надежность устройств.
Решение проблемы: атомарно-тонкие туннельные транзисторы
Группа исследователей под руководством профессора Каустава Банерджи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре совместно с Университетом Райса представила принципиально новую конструкцию транзистора — атомарно-тонкий туннельный полевой транзистор (TFET). В основе устройства лежит квантовомеханический эффект туннелирования, позволяющий электронам преодолевать энергетические барьеры, которые классически были бы непреодолимы.
В качестве канала транзистора используется ультратонкий двумерный полупроводник — дисульфид молибдена (MoS₂), толщиной всего 1,3 нанометра. Источником электронов служит высоколегированный германий, а между ними расположен ван-дер-ваальсов зазор толщиной всего 0,34 нанометра. Такая вертикальная гетероструктура позволяет эффективно контролировать ток электрона через туннельный барьер, достигая рекордно низкого напряжения переключения около 0,1 В.
Важнейшим достижением данной разработки является преодоление «тирании Больцмана» — транзистор демонстрирует коэффициент переключения порядка 30 мВ/декаду, что вдвое ниже предела классических устройств. Это снижает энергопотребление более чем на 90% по сравнению с лучшими кремниевыми аналогами.
Трехмерная нанопроволочная архитектура от MIT
Альтернативный подход предложили ученые из Массачусетского технологического института (MIT), разработав трехмерный вертикальный нанопроволочный транзистор. В этой конструкции используются полупроводниковые гетероструктуры на основе антимонида галлия и арсенида индия, с диаметром нанопроволоки всего 6 нанометров.
Исследования группы профессора Хесуса дель Аламо показали, что благодаря квантовому туннелированию и эффектам квантового ограничения можно создать транзисторы, работающие при напряжениях значительно ниже традиционных MOSFET. Новая технология демонстрирует высокие токи и чрезвычайно крутые характеристики переключения, улучшая производительность в 20 раз по сравнению с аналогичными квантовыми транзисторами.
Квантовые материалы и их ключевая роль
Квантовые транзисторы стали возможны благодаря прогрессу в области квантовых материалов, таких как двумерные слоистые полупроводники и топологические изоляторы. Эти материалы проявляют уникальные свойства, обусловленные квантовым ограничением и сильными электронными корреляциями.
Например, квантовые точки, открытые Алексом Экимовым и другими учеными, демонстрируют размер-зависимые энергетические уровни и настраиваемые оптические свойства, что позволяет создавать новые типы оптоэлектронных устройств, включая сверхчувствительные фотодетекторы и дисплеи.
Квантовое туннелирование и принцип неопределенности: от теории к практике
Эффект квантового туннелирования был впервые теоретически описан в 1927 году Фридрихом Хундом и позже подтвержден Георгием Гамовым в объяснении альфа-распада. В 1957 году Лео Эсаки продемонстрировал первый туннельный диод, за что позднее получил Нобелевскую премию. Современные туннельные транзисторы используют аналогичные принципы, но с более совершенной наноструктурной архитектурой.
Принцип неопределенности Гейзенберга играет важную роль в таких технологиях, как электронная микроскопия и квантовая криптография. Например, сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), созданный Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году, использует туннелирование электронов для визуализации поверхностей с атомарным разрешением.
Квантовые эффекты в биологии и медицине
Квантовые явления не ограничиваются электроникой, но проявляются и в биологических системах. Например, туннелирование электронов играет центральную роль в фотосинтезе и дыхании, обеспечивая высокую эффективность преобразования энергии в митохондриях.
Исследования также показывают, что умеренные стрессоры (гормезис), такие как физические нагрузки или ограничение калорийности, улучшают «квантовую эффективность» митохондрий, замедляя процессы старения.
Спинтроника и молекулярная электроника на основе магнитных молекул
Еще одно перспективное направление — спинтроника, где информация кодируется не зарядом электрона, а его спином. Депонирование магнитных молекул на поверхности позволяет создавать устройства с высокой плотностью записи и минимальным энергопотреблением.
Для этого используются молекулы, такие как комплексы Mn₁₂ и лантаноидные фталоцианины, которые обладают стабильными магнитными состояниями даже при комнатной температуре.
Перспективы квантовых транзисторов и электроники
Внедрение квантовых транзисторов способно кардинально изменить электронику, обеспечивая низкое энергопотребление, сверхкомпактность и высокую производительность. Благодаря интеграции квантовых материалов и нанотехнологий, ожидается не только продолжение миниатюризации, но и качественный скачок в развитии вычислительной техники, сенсоров и энергоэффективных систем.
Такие устройства найдут применение в смартфонах, медицинских приборах, носимых устройствах и крупных дата-центрах, существенно снижая потребляемую энергию и влияя на продолжительность работы батарей.
