Παρασκευή, 5 Μαΐου 2017

Ο νόμος του Ohm αντέχει και στην ατομική κλίμακα

tiny-wireΜια νέα τεχνική που ενσωματώνει σύρματα ατομικής κλίμακας μέσα σε κρυστάλλους πυριτίου έχει αποκαλύψει ότι ο νόμος του Ohm μπορεί να εφαρμόζεται και σε αγωγούς πάχους μόλις τεσσάρων ατόμων και ύψους ενός ατόμου. Το αποτέλεσμα αυτό ήταν μια έκπληξη για τους ερευνητές, διότι η συμβατική φυσική πιστεύει ότι τα κβαντικά φαινόμενα θα δημιουργούσαν μεγάλες αποκλίσεις από το νόμο του Ohm σε τόσο μικροσκοπικά σύρματα. Παραδόξως, οι ερευνητές ελπίζουν πως η ανακάλυψη αυτή θα βοηθήσει την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών.
 
Όσο οι κατασκευαστές των τσιπ αυξάνουν τον αριθμό των κυκλωμάτων σε ένα κομμάτι πυριτίου, το μέγεθος των τρανζίστορ πλησιάζουν την ατομική κλίμακα. Πίσω από την τεχνολογική πρόκληση της κατασκευής ολοένα μικρότερων ολοκληρωμένων, πολλοί φυσικοί θεωρούν ότι η κβαντομηχανική θα αντικαταστήσει τους οικείους κλασσικούς αλλά απηρχαιωμένους νόμους της φυσικής.

Οι φυσικοί λοιπόν θεωρούσαν ότι η ηλεκτρική αντίσταση των καλωδίων αυξάνεται εκθετικά, εξαιτίας των κβαντικών φαινομένων, όταν το πάχος τους μειωθεί κάτω από 10 νανόμετρα, θέτοντας έτσι ένα όριο στην η σμίκρυνση των τσιπ.
 
Για να διερευνήσουν την αγωγιμότητα σε ατομική κλίμακα, οι Michelle Simmons, Bent Weber και οι συνεργάτες τους στο Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας στην Αυστραλία, έχουν αναπτύξει μια μέθοδο που χρησιμοποιεί άτομα φωσφόρου για να ενσωματωθούν (σαν αγωγοί) μέσα σε ένα κρύσταλλο πυριτίου. Ο φώσφορος έχει ένα ηλεκτρόνιο παραπάνω στην εξωτερική του στοιβάδα από το πυρίτιο και αν ένα άτομο πυριτίου έχει αντικατασταθεί από ένα άτομο φωσφόρου (μια διαδικασία που ονομάζεται p-ντόπινγκ), το τελευταίο δωρίζει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο στον κρύσταλλο, αυξάνοντας έτσι την αγωγιμότητα στην εμπλουτισμένη αυτή περιοχή.
 
Η ομάδα του Simmons με τη βοήθεια ενός μικροσκόπιο σάρωσης δημιούργησε ένα κανάλι στο πυρίτιο αφαιρώντας στρώσεις ατόμων πυριτίου. Η επιφάνεια τότε είναι εκτεθειμένη σε αέριο φωσφόρου, ακολουθούμενο από την εναπόθεση ατόμων πυριτίου. Το αποτέλεσμα είναι να δημιουργηθεί μια αλυσίδα από άτομα φωσφόρου ενσωματωμένα μέσα σε ένα κρύσταλλο πυριτίου – ουσιαστικά ένα σύρμα ατομικής κλίμακας. Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι η αντίσταση αυτών των καλωδίων ήταν συνεχής μέχρι και την ατομική κλίμακα. Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση ενός τέτοιου καλωδίου είναι ανάλογη με το μήκος του και αντιστρόφως ανάλογη προς την περιοχή, ακριβώς όπως θα περίμενε κανείς από το νόμο του Ohm. Το πάχος των συρμάτων – καλωδίων αυτών ήταν από 1,5 έως 11 νανόμετρα, αλλά παραδόξως εξακολουθούσαν να υπακούουν στο νόμο του Ohm.
 
Ο φυσικός David Ferry του Πανεπιστημίου της Αριζόνα περιγράφει την τεχνολογία αυτή ως "ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα».
 
Αν και η Simmons λέει ότι η τεχνική που χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει τα καλώδια δεν μπορεί σήμερα να αναπτυχθεί σε βιομηχανικές διεργασίες, ο Ferry πιστεύει ότι είναι μια πολύτιμη απόδειξη ότι, κατ ‘αρχήν, η σμίκρυνση των κλασικών ηλεκτρονικών ειδών μπορεί να συνεχιστεί για αρκετά χρόνια. "Οι εταιρείες όπως η Intel ανησυχούν για την παραγωγή ολοκληρωμένων τόσο μικροσκοπικών, ώστε να έχουν κβαντομηχανική συμπεριφορά," λέει. Τα μήκη στις πύλες των τρανζίστορ είναι τώρα περίπου 22 nm, ή περίπου 100 φορές η απόσταση ανάμεσα σε μεμονωμένα άτομα πυριτίου. «Υπάρχει όντως μια ανησυχία για το πόσο μικρές μπορούν να γίνουν οι μικρές αυτές συσκευές πριν να δράσουν τα κβαντικά φαινόμενα, και το γεγονός αυτό δείχνει ότι έχουν ακόμα μερικές γενιές," προσθέτει ο Ferry.