Техника - молодёжи 2005-12, страница 6

запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем. Как можно управлять переносом электронов для кодирования информации в таких элементах?

С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, распространение которой в наноструктурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и воможностъю туннелирования через потенциальные барьеры.

Квантовое ограничение. Воина, со ответствующая свободному электрону в твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой, по крайней мере в одном направлении, ограничен и по своей величине сравним с длиной электронной волны.

Классическим аналогом такой структуры является струна с жестко закрепленными концами. Колебания струны могут происходить только в режиме стоячих волн. Аналогичные закономерности поведения характерны и для свободного электрона, находящегося в твердотельной структуре ограниченного размера или области твердого тела, ограниченной непроницаемыми потенциальными барье-

Молекулярное домино. С помощью столкновения молекул СО и меди можно решать арифметические

задачи. Исследователи из лаборатории IT-концерна IBM занимаются цепными реакциями, распространяющимися по принципу домино. Они могут выполнять логические операции, на которых базируются вычислительные процессы в компьютерах

рами. В этом случае возникает «квантовый шнур», где возможно распространение только волн сдлиной, кратной геометрическим размерам структуры. Для электронов это означает, что они могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, то есть имеет место дополнительное квантование энергетических уровней. Это явление получило название квантового ограничения. Вдоль же «шнура» могут двигаться электроны с любой энергией. Квантовое ограничение приводит к тому, что электронные свойства наноразмерных структур отличаются от известных объемных свойств материала, из которого они сделаны.

Интерференционные эффекты. Взаимодействие электронных волн в наноструктурах как между собой, так и с не-

однородностями в них, может сопровож даться интерференцией, аналогичной той, которая наблюдается для световых волн. Кроме того, электронами, благодаря наличию у них заряда, можно управлять с помощью локального электростатического или электромагнитного поля и таким образом влиять на распространение электронных волн.

Туннелирование. Уникальное свойство квантовых частиц, в том числе и электронов - способность проникать через преграду даже в случаях, когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Вероятность туннепирования рассчитывается из уравнения Шредингера. Она тем выше, чем тоньше барьер и меньше разница между энергией падающего электрона и высотой барьера. Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приводит к: тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, т.е. просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией.

Другое специфическое проявление квантового ограничения — одноэлект-ронное туннелирование в условиях куло-новской блокады. Его можно рассмотреть на примере прохождения электроном структуры «металл - диэлектрик - металл». 8 качестве наглядной иллюстрации этого явления можно представить каплю, отрывающуюся от края трубки.

Первоначально граница раздела между металлом и диэлектриком электрически нейтральна. При приложении к металлическим областям потенциала на этой границе начинает накапливаться заряд. Это продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После этого система возвращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь. Таким образом, перенос заряда в такой структуре происходит порциями, равными заряду одного электрона. Процесс же накопления заряда и отрыва электрона от границы металла с диэлектриком определяется балансом сил куло-новского взаимодействия этого электрона с другими подвижными и неподвижными зарядами в металле.

Эти квантовые явления используются в уже разработанных наноэлектронных элементах для информационных систем. Но ими не исчерпываются все возможности приборного применения квантового поведения электрона,

НАНОЭЛЕМЕНТЫ

8 транзисторах на квантовых эффектах волновая природа электронов и соответствующие явления становятся основополагающими в их работе. Это достигается в полупроводниковых структурах с размерами, уменьшенными до ^

И^ИДШИ з