Техника - молодёжи 1988-02, страница 6

На схеме — модель одноэлектронного транзистора, созданная физиками МГУ. Оранжевым цветом показаны тончайшие слои диэлектрика (окисла индия), через которые гун не лиру ют электроны

Слой изолятора создает барьер на пути электронов — ток не течет. Квантовая теория вносит поправку: если изолятор тонок, электроны могут проникнуть сквозь него. Этот эффект получил название туннелирования.

всем требованиям. Результаты измерений их свойств оказались в блестящем согласии с предварительными расчетами.

Независимо от московских ученых подобные опыты провели две американские группы физиков. Они полностью подтвердили выводы советских ученых. Стало ясно, одно-электроника — не беспочвенная мечта, а реальная цель. И похоже, она будет достигнута очень скоро, поскольку многие научные центры начинают активные исследования одноэлектронных эффектов.

Вот лишь один любопытный факт, позволяющий судить о темпах работ и остроте конкуренции в этой области. Летом 1986 года, выступая на международной конференции в Бельгии, наши физики изложили свою теорию одноэлектронных явлений. Их выслушали с чисто академическим интересом — дескать, идеи любопытные, но до их проверки и осуществления дело дойдет не скоро. А уже меньше чем через год появились первые сообщения об экспериментах, причем статья московских физиков поступила в редакцию советского научного журнала («Письма в ЖЭТФ») 6 марта — в тот же день, что и статья их заокеанских коллег в редакцию аналогичного американского издания.

ПЕРСПЕКТИВЫ БЛИЗКИЕ И НЕ ОЧЕНЬ

Теперь, когда мы в общих чертах познакомились с принципами одно-электроники, уместно обсудить еще один важный вопрос. Что же конкретно могут дать новые устройства?

Прежде всего, туннелирование одиночных электронов должно в ближайшие годы стать основой принципиально нового эталона постоянного тока. Нет нужды объяснять, какое значение имеют в наш век высокоточные эталоны и для техники, и для науки. Два экзотических явления — эффект Джозеф-сона и квантовый эффект Холла — позволили связать между собой частоту и напряжение, напряжение и ток простыми соотношениями, в которые входят лишь фундаментальные константы: заряд электрона и постоянная Планка. Одноэлектрон-ные процессы дают возможность установить такую же связь между частотой и током и тем самым замкнуть квантовый метрологический треугольник.

Сделать это достаточно просто. Если облучать туннельный переход электромагнитными волнами, то электроны, подпитываясь дополнительной энергией, начнут проскакивать через изолятор с частотой иЗлу-чения. Вернувшись к аналогии с водопроводным краном, можно сказать, что электромагнитная волна периодически стряхивает капли-электроны с узкого «горлышка» перехода. В этом случае ток равен произведению заряда электрона на частоту волны. Заряд электрона изве

стен, а частоту можно задать очень точно — эталон частоты обладает самой малой погрешностью из всех существующих эталонов, поскольку опирается на уникальную стабильность некоторых процессов в атомах. Следовательно, новый квантовый стандарт тока будет намного надежнее и точнее нынешнего, основанного на магнитном взаимодействии проводников с током и требующего измерения механических сил.

Другое важное применение одноэлектронных явлений — точное измерение малых электрических зарядов. Поскольку ток, проходящий через одноэлектронный транзистор, сильно зависит от заряда центрального проводника, такое устройство может служить измерительным прибором. Как показали эксперименты, его чувствительность, по крайней мере, в десятки тысяч раз выше, чем у лучших электрометров традиционного типа. Не так давно появление квантовых измерителей магнитного поля, так называемых сквидов, произвело революцию во всех научных дисциплинах, связанных с магнитными измерениями,— от физики космоса до медико-биологических исследований. Видимо, теперь настал черед тех областей науки, где требуются сверхточные измерения электрического поля.

И все же наиболее заманчивая перспектива — создание одноэлек-тронной вычислительной техники. Здесь открываются два пути. Первый — построение компьютера из одноэлектронных транзисторов по типу ЭВМ на обычных транзисторах. Второй — объединение множества микропроводников, разделен-

Если к соединенным узким контактом сверхпроводникам приложить постоянное напряжение, через них потечет переменный ток с частотой, пропорциональной этому напряжению. Благодаря такому удивительному эффекту, предсказанному в 1962 году английским физиком Б. Джозефсоном, можно связать между собой эталоны герца и вольта. Связь между эталонами вольта и ампера дает открытый немецким физиком К. фон Клитцингом в 1980 году квантовый эффект 'Холла. Он наблюдается на плоскости контакта двух

полупроводников, охлажденных до низких температур и помещенных в магнитное поле. Если вдоль этой плоскости пропускать электрический ток, то между ее боковыми краями возникает разность потенциалов, и коэффициент пропорциональности между нею и током при изменении магнитного поля будет скачкамн меняться. Одноэлектронные эффекты свяжут эталоны тока и частоты. Замкнувшийся метрологический треугольник станет надежным основанием и для научных исследований, и для современной техники.

4