Нанонауки. Невидимая революция

Устройства иного рода, механические, так называемые протеиновые двигатели, тоже оказались на границе между мезо- и нанофизикой. Протеиновый двигатель — это такое нагромождение белков, которое в клетках превращает химическую энергию в работу. В любом белке белкового двигателя тысячи атомов. Местонахождением этих атомов в пространстве ведают законы квантовой физики. Любой химической связи в белке соответствует колебание некоторого рода и, значит, некая квантовая волна. Поскольку белок — это множество химических связей, по-разному вибрирующих, то все квантовые волны, соответствующие каждому из колебаний каждой химической связи, никак не проявляются в суммарном движении белка. Как и в твердом теле, квантовые волны колебаний накладываются друг на друга — и гасятся, «смазываются». Механические свойства деформируемого белка выглядят почти классическими: белковая молекула может вращаться или перемещаться, совершая движения в пространстве. Нагромождение белков, образующих протеиновый двигатель, будет совершать вращательное движение, выглядящее классическим, что уже наблюдалось в предварительных экспериментах, в которых подобные двигатели испытывались «в пробирке» ( in vitro).

Итак, нельзя путать мезоскопическую физику с нанофизикой. Нанофизика имеет дело с приборами, построенными из десятков атомов, причем гашение, компенсация квантовых волн, или отсутствует, или контролируется (то есть может быть учтено), а то и вносится извне — из окружающей среды. Об этом пойдет речь в следующей главе. Однако, как это почти всегда бывает с разграничением научных уделов, и в этом случае возникли раздоры между исследователями ( см. Приложение II). Для приверженцев нисходящего подхода, опускавшихся к мезофизике дорогой микроминиатюризации, в частности в электронике, нанофизика начиналась там, где обнаруживались квантовые свойства вещества. Для тех, кто предпочитал восходящий подход, стартовавший с поодиночной манипуляции атомов, нанофизика начиналась там, где можно отличать один атом прибора от другого атома того же устройства, и заканчивалась там, где атомов становилось так много, что их волны, накладывающиеся друг на друга, превращались в трудноразличимый беспорядок, в котором уже невозможно опознавать «отдельные» квантовые явления.

ГОВОРИТЕ, «МЕЗО»?

В совсем крошечном транзисторе ток утечки укладывается в рамки квантового явления, известного как туннельный эффект (упоминавшийся выше туннельный микроскоп работает на этом же эффекте): электронов так много, что все они описываются одной-единственной квантовой волной. В квантовом мире волну, связываемую с некоторой частицей, нельзя резко остановить на границе между двумя средами: сохраняется некоторая непрерывность волн (волна переходит, пусть с искажением, из одной среды в другую). То есть электроны, находящиеся в одной среде, могут оказаться по другую сторону границы между средами — иначе говоря, вероятность их обнаружения там отлична от нуля. Например, мы знаем, что эти вот электроны должны быть, скажем, по левую сторону границы, но они вполне могут оказаться на правой стороне — и это нормально, нечего тут удивляться! Это похоже на то, как если бы кто-то из ваших знакомых научился проходить сквозь стены, минуя запоры и замки (и двери с окнами). Правда, умение проходить сквозь стены не выходит за пределы расстояний, измеряемых считаными нанометрами (да и научиться этому трюку может лишь электрон — или еще более мелкая элементарная частица). Если в том же нашем транзисторе слой, изолирующий управляющий электрод от активной части транзистора (канала), будет тоньше нанометра, то какие-то электроны с достаточно большой вероятностью будут перенесены благодаря туннельному эффекту через слой изоляции, а это значит, что между электродами транзистора и между электродами и каналом потечет ток утечки. И это «своеволие» электронов, выражающееся в беспорядочном «бегстве врассыпную», крайне неприятно. Для всякого нового поколения транзисторов приходится придумывать новый изолирующий материал, достаточно непрозрачный для квантовых электронных волн. К тому же транзистор работает тем лучше, чем больше площадь соприкосновения управляющего электрода с каналом. Но сила тока утечки также пропорциональна площади токопроводящих поверхностей. Налицо противоречие: чтобы увеличить действенность транзистора, следует увеличивать площадь соприкосновения (управляющего электрода с каналом), а для снижения тока утечки это соприкосновение следует свести к минимуму. Инженеры оказались в безвыходном тупике!

В приборах, созданных методами микроэлектроники, наблюдаются и иные квантовые явления. В мире наших масштабов если уж по проводнику течет ток, то он подчиняется закону Ома: значит, сила тока обратно пропорциональна электрическому сопротивлению проводника (чем больше сопротивление, тем меньше ток — при том же приложенном напряжении); иначе говоря, если сопротивление проводника велико, то электронам по этому проводнику перемещаться труднее. А ведь чем тоньше проводок, тем его сопротивление больше. Электронам труднее проталкиваться через узкое место — вспомните о зрителях, покидающих театр через узкий коридор.

Однако, когда диаметр проводника уменьшается до нескольких десятков нанометров, наблюдается нечто странное: сопротивление перестает непрерывновозрастать по мере уменьшения сечения проводника, как это было раньше. Нет, оно по-прежнему растет, но — «скачками»: вот мы понемногу делаем провод тоньше, но сопротивление долго не меняется, а потом вдруг возрастает на квант сопротивления. Это примерно так, как если бы в нашем театре зрители не застревали бы на выходе, когда людей, теснящихся в выходном коридоре, становится все больше, а взбирались бы на колесницы, движущиеся с постоянной скоростью, но через несколько метров — когда выходной коридор стал уже — скорость колесниц вдруг падала бы. А еще через несколько метров их скорость становилась бы еще меньше.

Эти скачки объясняются явлением дифракции. Положим, что проводник утоньшается. Тогда раньше или позже, но в какой-то момент сечение его станет таким, что в его диаметре уложится считаное число электронных волн. Тогда при совпадении диаметра проводника с числом, кратным длине полуволны, возникает резонанс и прибавляется квант сопротивления. А когда диаметр проводника становится меньше самой малой полуволны, то проводок делается непрозрачным для электронов. Это выглядит так, словно бы волне (то есть электрону) тесно в слишком тонком проводе — ей просто негде колебаться (так свет не может проникнуть в совсем уж тоненькую дырочку): значит, и потока электронов — а это электрический ток! — не будет. Впервые это квантовое явление обнаружили в самом конце 1980-х годов.

А что будет, если на таких тонюсеньких проводках собрать целую электронную схему? Вот обычная — классическая — электрическая цепь: пусть два сопротивления (например, резисторы — или проводники) соединены параллельно. Тогда электрическая проводимость — так называется мера «легкости», с которой ток преодолевает цепь, — будет равна сумме электропроводимостей обеих запараллеленных ветвей, согласно законам Кирхгофа (они открыты в XIX веке). А теперь переведем схему в мезоскопическую шкалу (это среди прочего значит, что проводки стали совсем тоненькими). Диаметры резистора и провода, который к нему подключен, меньше 100 нм, и никакие законы Кирхгофа схеме не указ. Правда, общая проводимость схемы по-прежнему равна сумме параллельных сопротивлений, но с учетом эффектов квантовой интерференции, а чтобы учесть интерференцию, надо вводить в сумму — или (это удобнее) в ее слагаемые — поправки на квантовые эффекты. Так что никуда законы электротехники не деваются — заряд электрона, одна из фундаментальных физических постоянных, остается тем же. Просто еще и проявляются (на маленьких расстояниях) квантовые явления.

Электрон — это элементарная частица, у которой есть электрический заряд, именуемый элементарным. Элементарен этот заряд потому, что он — неделим. Меньше не бывает. Его приравнивают к -1. Все иные заряженные частицы, то есть те, которые образуют электрически заряженное вещество, имеют заряд, кратный заряду электрона. У атома, захватившего электрон, заряд отрицательный — ведь у него лишний электрон с зарядом -1. К примеру, ион хлора в молекуле поваренной соли (хлорированного натрия) — это атом хлора с лишним, захваченным электроном, а потому он имеет отрицательный заряд, равный -1. Наоборот, атом, потерявший электрон или несколько электронов, будет заряжен положительно, потому что у него недостает электронов. Ион натрия в молекуле той же поваренной соли обозначается символом Na+ — это тот же атом натрия, только без одного электрона.

Возьмем теперь проводящий брусок, по которому протекает ток утечки, и поместим его в магнитное поле, перпендикулярное бруску; между оконечностями бруска возникнет электрическое напряжение. Усилим напряженность магнитного поля — и напряжение между кончиками бруска увеличится; это так называемый эффект Холла. Холлово сопротивление определяется как отношение напряжения к силе тока, оно увеличивается линейно по мере усиления магнитного поля. В 1988 году физики поместили в магнитное поле не проводящий брусок, а пластинку толщиной в десяток нанометров. И увидели, что по мере увеличения магнитного поля сопротивление Холла по-прежнему растет, но не линейно, а скачками, точнее, прирастает строго определенными порциями, — это квантовый эффект Холла.

Первая порция приращения — это элементарный квант Холлова сопротивления, последующие порции кратны этой первой порции. Обнаружилось, однако, что по мере возрастания магнитного поля появляются какие-то промежуточные — некратные первой порции — приращения. Откуда они берутся? Было над чем ломать голову. В самом деле, получалось, что должны быть еще какие-то носители заряда, с зарядом меньше элементарного! Заряд меньше единицы! То есть дробный. Однако никаких «кусочков электрона» так и не нашли. Электрон так и остался неделимым, и его заряд тоже. Носителями же дробного заряда оказались частицы неведомого прежде рода: их назвали квазичастицами, или виртуальными частицами. А «возникают» квазичастицы в результате суммарного, совместного поведения тысяч «нормальных» электронов в сверхтонкой пластинке. В такой пластинке под воздействием магнитного поля все происходит так, словно электрический ток — поток не электронов, а квазичастиц с зарядом в 1/3. В позднейших экспериментах удалось подтвердить существование квазичастиц с зарядами в 1/5 или 1/7 заряда электрона. Вот в какой новый мир привела нас миниатюризация.

ЭЛЕКТРОНИКА ЗАВТРАШНЕГО ДНЯ

Вещие птицы принесли было скверную весть о непреодолимых препонах, якобы мешающих создавать транзисторы при использовании микронной технологии, тем более на расстояниях в четверть микрона или порядка 100 нм (= 0,1 мкм). Через все эти преграды, однако, ухари-физики перемахнули, пускаясь во все тяжкие и выдумывая все более хитроумные трюки. Но вот с поколением транзисторов, меньших 20 нм, ничего не получалось: квантовые явления не позволяли. Надо было пересматривать само понимание транзистора — тот транзистор, какой мы знали со времени его возникновения, уже не годился. Можно было продолжать миниатюризацию и дальше, но новинки не обещали ничего существенно лучшего по сравнению с тем, что уже и так было. Где же выход? Наверное, искать его надо было не на путях преодоления квантовых явлений, а там, где эти явления поддавались бы какому-то использованию. Значит, в лабораториях должна была родиться новая электроника — квантовая. Эту самую квантовую электронику иногда называют — неправильно! — наноэлектроникой. В самом деле, размеры приборов, создаваемых методами квантовой электроники, таковы, что в приборе еще содержатся тысячи атомов. Только допуски — нанометровые, все остальное, можно сказать, «как обычно». Давайте лучше присмотримся к кое-каким дорожкам, сулящим вывести нас к электронике будущего.