В некоторых наноматериалах электроны могут проходить через специально построенные дорожки только одним атомом в ширину. Для достижения превосходной эффективности, эти одномерные трассы должны быть проложены с абсолютным совершенством - один странствующий атом может остановить быстрые электроны на своих трассах или даже запустить их назад. К сожалению, такие недостатки неизбежны.
Теперь пара ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене предложили первое решение для такой субатомной остановки: новый способ создания более надежной электронной волны путем связывания направления движения электрона и его развития. Фокус заключается в использовании магнитных ионов, шнурующих электронную ипподромную дорожку. Эта теория может способствовать прогрессу в наноинженерных технологиях для технологий хранения данных и энергии.
"Одномерные материалы могут быть очень хорошими проводниками, только если они безупречны, но ничто в этом мире не идеально", - сказал физик из Брукхавена Алексей Цвелик. "Наша теория, первая в своем роде, предлагает способ защиты электронных волн и оптимизации этих материалов."
Работа основана на модельной системе, называемой цепью Кондо, в которой протекающие электроны взаимодействуют с локальными магнитными моментами в материале. При надлежащем использовании этого мощного взаимодействия материалы могут вести себя как идеальные проводники и обеспечивать высокую эффективность.
Защита транспорта
Широкоатомные каналы позволяют движение только в одном из двух противоположных направлений: правом или левом. Электроны, перемещающиеся по такой узкой трассе - гонки по так называемым волнам плотности заряда - могут быть легко повернуты вспять практически любым препятствием.
"Волна поднимается как электронное цунами, которое, как ожидается, будет плавно нести электроны в одном направлении", - сказал Цвелик. "Но оказалось, что это цунами очень легко запустить беспорядками, примесями в материале."
Это "цунами" меняет направление через явление проводимости - явление, смягчающее проводимость, называемое обратным рассеянием, подобно тому, как волна ломается над отвесными скалами. Но в то время как направление легко меняется, другая особенность электрона гораздо более упругая: вращается.
Вращение электрона - подобно постоянно вращающемуся квантовому топу - может быть описано только как вращение вверх или вниз, и оно непроницаемо для простых несовершенств в материале. Фокус, таким образом, заключается в том, чтобы научить направленную волну опираться на вращение для поддержки.
Поскольку поток электронов взаимодействует с магнитными моментами, заложенными в материале - эти карманы внутреннего магнетизма являются ключом к созданию связанного состояния. Магнитные моменты связывают вращение и направление плотно вместе, так что любое возмущение должно было бы перевернуть вращение электрона, чтобы изменить его направление.
Эти прокатные электронные волны можно было бы тогда описать как право-стороннее движение с вращением вверх, лево-стороннее движение с вращением вниз, и так далее. В каждом случае направление поддерживается за счет вращения.
Строительство электронного велосипеда
Представьте себе ходьбу по узкой тропе, едва достаточно широкой для обеих ног. В такой простой системе легко оборачиваться - при малейшей провокации можно оборачиваться.
А что если мы дадим нашему пешеходу велосипед. Внезапно становится очень трудно сломать этот угловой момент и изменить направление, особенно на таком узком пути. Это связанное состояние вращения похоже на велосипед нашего электрона, поддерживая его в движении достаточно мощно, чтобы преодолеть неровности на одномерной дороге."
Чтобы проверить эффективность этого теоретического электронного велосипеда, ученые должны будут проверить эту теорию проведя испытания.
Магнитные ионы в таких материалах, как цезий, железо и марганец, являются отличными кандидатами для создания и исследования этого многообещающего связанного состояния.
Процесс синтеза функциональных одномерных материалов - в виде тонких металлических проводов или путей, вызываемых химией, - продолжает развиваться и продвигать вперед как теорию, так и индустрию. Ученые отдела физики конденсированной материи и материаловедения Брукхейвенской лаборатории и Центра функциональных наноматериалов специализируются на аналогичных уникальных атомных архитектурах.
"Мы надеемся, что наши коллеги сделают шаг вперед в этом направлении, тем более, что это единственный предложенный метод увеличения пропускной способности при таком масштабе 1D", - сказал Цвелик. "Кто знает, к чему могут привести эти фундаментальные понятия? Чудо науки в том, что она приносит сюрприз."