Атом за атомом. Устройства минимально возможного масштаба.

Уникальные электрические свойства кластеров оксида хрома позволяют точно регулировать их проводимость простым добавлением к ним атомов кислорода. Предоставлено: Скотт Сэйрес.

Если вам за 30, и вы склонны к ностальгии, скорее всего где-то в доме среди дорогих вам вещей всё ещё может храниться коробка с магнитофонными аудио или видео кассетами. Вы даже можете помнить увлекательные поиски разницы в звучании аудиозаписей на кассетах с отличающимися материалами магнитного напыления – казалось, что и хром, и железо, и кобальт придавали музыке свои неповторимые оттенки. Но равно как компакт-кассеты пришли на смену бобинам больших катушечных магнитофонов, так и сами они, насытив мир музыкой в 1970-х и 80-х годах (а в России – и в 90-х), ушли в историю.

С тех пор в массе своей магнитные устройства хранения уступили место более совершенным технологиям, воплотившимся в компакт-диски и карты памяти. Однако теперь исследователи по-новому взглянули на ферромагнитные оксиды хрома – одни из тех самых «поющих» соединений, сыгравших когда-то огромную роль не только в глобальном распространении искусств и развитии музыкальной и видеоиндустрии, но и в технологическом прогрессе.

В новом исследовании сотрудникам Центра биодизайна для прикладных структурных открытий и Школы молекулярных наук при Американском университете Скотту Сейресу и Джейкобу Гарсия удалось получить беспрецедентную детальность изучения посредством масс-спектроскопии и сверхбыстрых лазерных импульсов.

«Известно, что оксиды хрома обладают действительно захватывающими магнитными и электронными свойствами, – говорит Сайрес. – Это уникальный материал, малопонятный на молекулярном уровне». Его примечательность кроется в одном из неожиданных результатов текущего исследования. Оказалось, что мы можем увеличивать металлические свойства соединений хрома, просто добавляя к ним атомы кислорода.

А поскольку эти изменения в принципе довольно точно контролируемы, то мы, можно сказать, открыли двери к новому поколению электроники, которая вскоре может достичь-таки минимально возможного масштаба. Только представьте себе: у нас будут настраиваемые компоненты электронной схемы молекулярного размера. Так что уже в ближайшее время вполне можно ожидать появление новых устройств, мощности обработки и хранения данных в которых значительно увеличатся.

Результаты, опубликованные в текущем выпуске Журнала Американского химического общества (JACS), описывают поведение кластеров атомов оксида хрома, которые можно подстраивать для изменения их электропроводности, ведь – в зависимости от количества присутствующих атомов кислорода – они способны быть как проводниками, так и полупроводниками. Или даже изоляторами.

Такие инновации своей сутью уходят в разряд спинтроники – той самой части электроники, за которой наука видит будущее последней. Вкупе с электрическим током, спин, являясь квантовым свойством электронов, способен в перспективе превзойти тривиальное управление исключительно потоком заряда в обычных электронных приборах гораздо большими объёмами памяти и скоростью передачи данных.

Это преимущество столь грандиозно, что ещё в конце 1990-х годов идея использовать спин вылилась в создание первых компьютерных магнитных жёстких дисков, ёмкость которых была в несколько сотен раз больше, чем у их предшественников. И это, наверное, лучшая иллюстрация того, насколько хорошо оксиды хрома подходят для применения в вычислительной технике. А теперь к этой высокой спиновой полярности, означающей большой диапазон состояний проводимости, добавьте возможность управлять этими свойствами кластеров хрома, регулируя только степень их окисления.

Это возможно благодаря тому, что сам оксид хрома проявляет свойства веществ, известных как полуметаллы. Он имеет кристаллическую структуру из атомов кислорода и хрома. Но если чистый хром – это твёрдый металл голубовато-белого цвета, то в присутствии кислорода (и в зависимости от электронной конфигурации) его электрические свойства могут меняться от чисто металлического поведения с высокой проводимостью до откровенно изоляционных характеристик.

В качестве камеры для наблюдения за поведением возбуждённых электронов в этом исследовании был использован фемтосекундный лазер, генерирующий предельно короткие (до 5*10^-15 секунды) лазерные импульсы. Фиксируя с его помощью динамику событий фемтосекундной длительности (примерно в 30 миллион-миллиардных долей секунды), удалось воочию наблюдать тонкие переходы между изолирующими и проводящими свойствами хрома при добавлении к его кластерам атомов кислорода.  

«Мы попытались взять минимально возможные строительные блоки из оксида хрома и изменить их атом за атомом», – говорит Сайрес. Кроме того, результаты экспериментов показали справедливость данной модели поведения вещества и для чрезвычайно малых масштабов – в них обнаруженные объёмные особенности физики модификаций оксида хрома тоже работают. «Это означает, – заключает Скотт Сейрес, – что мы можем создавать новые устройства из очень небольшого количества материала и при этом сохранять эти захватывающие электронные свойства, которыми известны оксиды хрома».

И конечно, кроме преобразующего дополнения к новому поколению уже знакомых электронных устройств, спинтроника на основе оксида хрома способна сократить и несколько упростить путь к полномасштабному развёртыванию квантовых вычислений. К тому же простота последовательного окисления в этой работе показывает линейное изменение общих свойств, вносимое каждой свободной кислородной составляющей в переходные моменты, что – в свою очередь – открывает возможности для создания новых материалов молекулярной спинтроники.

АРМК, по материалам Университета штата Аризона