Акция
Блог
Процитировать
Печать
Электронная почта
ЗакладкаНаука Каждый День (10 февраля 2010) — Так же, как биения сегодняшних электронных устройств зависят от способности переключить поток электричества в полупроводниках на и прочь со скоростью молнии, жизнеспособностью "spintronic" устройств будущего - технологии, которые управляют и потоком и магнитным "вращением" электронов - потребуют так же точного контроля над магнетизмом полупроводника.
Достижение этой цели требует детального понимания того, что случается в точном пункте перехода, когда полупроводник изменяется от металла до изолятора - явление, покрытое тайной несмотря на десятилетия экспертизы.
Но в результатах, изданных 5 февраля в журнале Наука, ведомая Принстоном команда ученых наблюдала электроны в полупроводнике на краю перехода металлического изолятора впервые. Пойманный на месте преступления, электроны сформировали сложные образцы, напоминающие замеченных в бурных жидкостях, подтверждая некоторые долго проведенные предсказания и обеспечивая новую способность проникновения в суть того, как полупроводники могут быть превращены в магниты. Работа также могла привести к производству меньших и больше компьютеров с низким энергопотреблением.
"Пространственная структура электронных волн в данном материале определяет, как хорошо она проводит электричество," сказал руководитель группы Али Яздэни, профессор Принстона физики. "Если волны простираются всюду по материалу, мы получаем металлическое поведение, но если они ограничены, или придерживались, в определенных областях, электричество прекращает течь. Путь, которым электроны подвергаются этому переходу в определенных полупроводниках также, кажется, играет большую роль в том, как они становятся магнитными."
В их естественном государстве полупроводники, такие как кремний или арсенид галлия являются изоляторами, которые не проводят электричество. В течение многих десятилетий ученые знали, что они могут преобразовать эти изоляторы в металлы, которые проводят электричество, заменяя некоторые из атомов в химической структуре решетки с другими атомами, например, заменяя галлий в арсениде галлия с цинком или марганцем. Этот процесс, названный допингом, изменяет число электронов в материале, чтобы позволить поток электричества, но также и вводит беспорядок в структуру решетки, которая может препятствовать движению электронов и заставить их становиться "прикрепленными", или ограниченными. Проводимость в состоянии произойти, только если электроны могут "прыгать" от атома до атома в структуре, slaloming среди хаотичности и привести в беспорядок, где решетка была встревожена.
Идея электронной локализации возвращается к оригинальной работе Профессора Джозефа Генри Принстона Физики Заслуженный Филип Андерсон, который выиграл Нобелевскую премию в 1979 частично по тому, чтобы предложить, чтобы локализация могла произойти для "квантовых" частиц, включая электроны, когда они сталкиваются со случайными препятствиями, такой как в легированных полупроводниках. В то время как исследование за десятилетия не нашло свидетельство для локализации Андерсона во многих материалах, электронные волны, подвергающиеся этому переходу никогда прежде, чем визуализировались непосредственно. В пункте перехода компьютерные моделирования долго предсказывали появление сложных неоднородных образцов электронных волн, как поток воды в скалистой реке.
Команды Яздэни первоначально намереваются понимать, как допинг полупроводника арсенида галлия с атомами марганца мог преобразовать это в магнит и "включить" электрическую проводимость в составе. После того, как участники команды в университете Калифорнии-Санта-Барбары добавили атомы марганца к структуре решетки, исследователи использовали особенно разработанные микроскопы туннелирования просмотра в Принстоне, чтобы визуализировать электронные государства в материале.
Находя их непосредственно столкнутые со сложными пространственными образцами электронных волн, ученые поняли, что образцы, которые они видели, были фактически предсказанными для электронов на краю локализации. В этих образцах, большинстве электронов распределены через поверхность полупроводника в ряду связанных "луж", которые напоминают fractals - самоподобные формы, которые повторяют себя на все более и более меньших характерных радиусах взаимодействия. Fractals обычно связываются с объектами в природе, такими как береговые линии или снежинки, но они прежде никогда не замечались для квантовых частиц.
У этих наблюдаемых образцов есть важные значения для того, как полупроводник становится магнитом. У всех электронов есть собственность, названная "вращением", которое описывает способ, которым они вращаются на их топорах, производя магнитное поле, поскольку они делают так. Если вращения соседних электронов в данном материале напротив друг друга, эти магнитные поля уравновешивают друг друга. Но когда вращения соседних электронов в материале союзник, такие, что электроны вращаются в тандеме как синхронизированные пловцы в объединении, сам материал становится магнитным. Это выравнивание только происходит среди электронов определенных элементов, включая железо и марганец.
В то время как предполагалось, что магнетизм в лакируемом марганцем арсениде галлия происходит, потому что вращения всех электронов марганца в легированном полупроводнике становятся выровненными однородно, результаты команды, предложенные дело обстоит не так: выравнивание вращений зависело от местоположения электронов в пределах рекурсивных луж, указывая, что есть вероятные области сильного и слабого магнитного взаимодействия в материале.
"Мы показали, что электроны перемещаются и живут в этих зубчатых лужах, таким образом только естественно полагать, что атомы марганца, которые проживают в пределах каждой лужи, взаимодействуют с друг другом и дают начало магнетизму," сказал Яздэни. "В этом представлении, где лужи не, у нас есть атомы марганца, но они не взаимодействуют или помощь магнетизму. Лужи становятся частью истории, чтобы понять, как магнетизм появляется."
Лакируемый марганцем арсенид галлия был в основе многих недавних технических достижений, и точного понимания того, какой магнетизм причин в этих полупроводниках - и как управлять им - будет необходим для реализации одного из самых многообещающих заявлений материала: компьютерные микросхемы, способные и обработать и хранить информацию. В текущих устройствах жареный картофель, сделанный из полупроводников, такой как кремний, используется, чтобы обработать информацию, которая тогда хранится в жестких дисках, сделанных из магнитных материалов, таких как железо. Если магнетизм материала мог бы быть включен и прочь, тот же самый чип мог бы использоваться в обеих целях, прокладывая путь к меньшему и больше компьютеров с низким энергопотреблением.
В будущем команда намеревается исследовать связь между оптимизацией магнетизма и формой рекурсивных луж, чтобы найти дальнейшие подсказки для механизма магнетизма и развить способы увеличить это. Их методы также позволят им исследовать, формируют ли электроны подобные образцы в краю других переходов фазы, такой как от проводимости до сверхпроводимости.
Коллегами Принстона Яздэни на команде был профессор физики Дэвид Хюз и аспиранты Энтони Ричарделла, также университета Illinois-Urbana/Champaign, Педрэма Роушена и Брайена Жоу. Исследовательская группа также включала Макинтош Shawn и Дэвида Ошелома университета Калифорнии-Санта-Барбары. Работа финансировалась Национальным научным фондом, Office Военно-морского Исследования и Армейского Исследовательского управления.
Источник Истории:
Приспособленный от материалов обеспечил университетом Принстона.
Отметьте: Если никакому автору не дают, источник процитирован вместо этого.
