Канадські фізики створили систему, в якій на одиночних атомах спостерігається ефект негативного диференційного опору. Це означає, що зі зростанням електричної напруги струм у системі падає (на відміну від закону Ома). Подібні пристрої можуть знайти застосування в мікроелектроніці. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє.
Елементи, в яких спостерігається негативний диференційний опір, інакше називаються «негатронами». Вперше цей ефект був виявлений майже 60 років тому в тунельних діодах. У них товщина перехідної зони між напівпровідниками p-типу і n-типу виявляється настільки малою, (до сотні ангстрем) що через неї можливе тунелювання. При малих напругах ймовірність тунелювання зростає і струм зростає разом з напругою. Потім, при певній напрузі, навпроти тунелюючих електронів виявляються заборонені зони і струм починає падати аж до нульових значень, незважаючи на зростання докладеної різниці потенціалів - спостерігається негативний диференційний опір. Після цього тунельний діод веде себе як звичайний діод і струм знову починає рости. Детальніше про це можна прочитати тут.
Тунельні діоди дозволяють вводити нові, більш складні відгуки в різні схеми. Однак, як показала практика, їх важко інтегрувати в мікроелектронні пристрої. Спроби створення нанорозмірних негатронів призводили до приладів, які або погано піддавалися контролю, або були ненадійними. Автором нової роботи вдалося вирішити ці проблеми, отримавши ефект негативного диференційного опору на тунельному струмі від одного атома.
Фізики використовували в основі приладу монокристал кремнію, попередньо очищений від оксидного шару. Кремній помістили в розріджене середовище гарячого атомарного водню, дозволивши частинкам газу осісти на поверхню напівпровідника і зв'язатися з ним. Частина поверхневих атомів кремнію при цьому опинилася без атомів водню - їхні електронні властивості помітно відрізнялися від інших атомів кремнію. Зокрема, на них може знаходитися два електрони на різних енергетичних рівнях.
В експерименті з вимірювання електронних властивостей цих атомів, вчені за допомогою скануючого тунельного мікроскопа створювали між поверхнею і голкою приладу різність потенціалів. Голка фіксувалася на певній висоті (частки нанометра) над «безводородним» атомом кремнію в зразку, після чого вимірювалася залежність струму від напруги.
При невеликих напругах від підкладки до голки тунелював електрон з більш високою енергією. Ймовірність його перенесення на голку зростала зі зростанням напруги. Однак, починаючи з деякої порогової напруги, виникала ймовірність тунелювання другого, низькоенергетичного електрону. Якщо «верхній» електрон швидко замінювався новим із зони провідності кремнію, то на заміну «нижнього» електрону потрібно набагато більше часу. Як підтвердило комп'ютерне моделювання, це і є джерелом негативного опору.
Вчені зауважують, що впровадження в напівпровідникові прилади таких незв'язаних поверхневих атомів сумісно з сучасними промисловими технологіями.
Тунельний ефект - один із проявів законів квантової механіки. Завдяки йому якийсь об'єкт (наприклад, частинка) може змінити свій стан на інший, навіть не маючи достатньої енергії, щоб «перестрибнути» бар'єр між ними. Частинка немов би проходить по тунелю під бар'єром.
Цікаво, що цей ефект може виявитися паразитним для напівпровідникових пристроїв. Наприклад, при досить малих розмірах транзисторів, тунельний ефект може призвести до того, що вони більше не зможуть закриватися. Електрони проходитимуть від витоку до стоку незалежно від напруги на затворі. У жовтні 2016 року американські фізики показали транзистор з рекордно малим розміром затвора - всього один нанометр. Тунельний струм у ньому пригнічується завдяки оптимальному підбору матеріалів.