Новый материал для сверхбыстрой электроники исследуется студентами факультета физики во главе с академическим руководителем ОП «Физика», профессором А.Ю. Кунцевичем

В интернет-издании "Известия" вышел материал о важных научных исследованиях, в которых принимают участие студенты и преподаватели факультета физики

Артём Доев

Полный текст статьи можно найти на сайте издания. В нашем материале мы представим основное содержание этой статьи.

В России получили материал, который может стать основой для компактных суперкомпьютеров, высокоточных детекторов и сверхбыстрой электроники. В его основе — нанопленки из аморфного рения, которые устойчивы к воздействия и обладают свойством сверхпроводимости при относительно высоких температурах. Над проектом работали ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), Высшей школы экономики и Московского физико-технического института.

— Аморфные металлы имеют неупорядоченную структуру, что придает им новые свойства. В случае рения это привело к усилению сверхпроводимости. Сверхпроводники — это материалы, электрическое сопротивление которых при сверхнизких температурах становится равным нулю. В кристаллическом виде рений — тоже сверхпроводник, но его критическая температура (при которой возникает это состояние) довольно низкая — около 1,5 градуса по Кельвину. В аморфной же форме она подскочила до 7–8К, — рассказал «Известиям» доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ФИАН и профессор факультета физики НИУ ВШЭ Александр Кунцевич.

В целом сверхпроводимостью обладает почти половина химических элементов, но для реальных применений подходят немногие. Чтобы завоевать «место под солнцем», материал должен обладать уникальными свойствами, объяснил ученый. В частности, кристаллический рений — одно из самых тугоплавких и плотных простых веществ. Чтобы его испарить и напылить тонкую пленку, ученые нагрели вещество сфокусированным пучком электронов в вакууме. Благодаря этой технологии были получены стабильные аморфные пленки толщиной в несколько десятков нанометров, подходящие для практических разработок.

Кроме того, рений устойчив к окислению и не покрывается оксидной пленкой. Вместе с тем его высокая критическая температура дает возможность применять для работы с ним наиболее дешевые системы охлаждения.

Эти свойства открывают возможность создавать на основе аморфного рения различные перспективные устройства — например, сверхпроводящие транзисторы. Как пояснил Александр Кунцевич, транзистор управляет потоком электронов, но в случае сверхпроводников речь идет о «сверхтоках», которые не рассеивают тепло и обеспечивают значительно более высокую скорость переключения по сравнению с обычной электроникой.

— Одна из идей состоит в том, чтобы соединить аморфный рений с графеном — сверхтонким слоем углерода толщиной в один атом. Когда сверхпроводник контактирует с этим материалом, его сверхпроводимость на некоторую глубину «проникает» в графен, — пояснил Александр Юрьевич.

Благодаря этому в случае графена появляется возможность управлять данным свойством с помощью электрического поля, отметил он. При этом рений в отличие от ниобия или алюминия не подвержен воздействию внешних факторов — например, окислению на воздухе. Поэтому серийное производство устройств на его основе становится вполне достижимой задачей.

По словам ученого, с помощью таких «быстрых» транзисторов можно обеспечить сопряжение сверхпроводниковой электроники с обычной кремниевой полупроводниковой. В частности, одна из ключевых проблем современных квантовых и классических суперкомпьютеров заключается в сложности их внешнего управления, поскольку для этого требуется большое количество проводов.

Сверхпроводящие транзисторы на основе рения и графена позволят обычным компьютерам, работающим при комнатной температуре, в режиме реального времени управлять конфигурацией устройств, функционирующих при температурах жидкого гелия (около 4К и ниже), например квантовых. Это открывает путь к созданию вычислительных систем, которые могут стать доступными для массового использования.

— Если помечтать и предположить в будущем уменьшение криостатов (охладителей) до настольных размеров, то на их основе можно разработать гибридные вычислители с огромной производительностью. Такие «смарт»-устройства произведут революцию в суперкомпьютерных технологиях, сделав их мобильными и персональными. Например, на них можно установить локализованные системы искусственного интеллекта, которые работают без интернета и облачных ресурсов, — сообщил Александр Кунцевич.

Он отметил, что, помимо сверхпроводящих транзисторов, полученный материал может быть востребован при производстве миниатюрных магнитов и сенсоров для измерения слабых излучений и магнитных полей.