При квантовом туннелировании катоды в электронике быстро нагреваются от проходящего тока и плавятся. Саратовские физики рассчитали, как сделать так, чтобы минимизировать этот нежелательный эффект.
Источник: Наука Mail
Ученые Саратовского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского выяснили, как в наноразмерных устройствах пропускать колоссальные токи и при этом не доводить металл до расплавления. Это открывает путь к созданию более мощных и стабильных элементов наноэлектроники и терагерцовых генераторов — технологий будущего связи, медицины и сенсорики, рассказали в пресс-службе Минобрнауки РФ.
Физики исследовали процессы, происходящие в резонансно-туннельных квантовых структурах — системах из чередующихся тончайших слоев, где электроны проходят через барьеры не напрямую, а «туннелем», по законам квантовой механики. При обычных плотностях тока катод в таких устройствах быстро плавится. Однако расчеты саратовских исследователей показали, что при оптимальном подборе размеров и эффективном охлаждении структура нагревается лишь до около 2000 К — почти как на поверхности звезды — и при этом сохраняет устойчивость.
Чтобы определить предел прочности, ученые последовательно рассчитали квантово-механические процессы распространения тока и теплового баланса (от джоулева нагрева до эффектов Ноттингема и Пельтье). Ключевыми факторами оказались идеально гладкие поверхности, малые размеры электродов (менее микрометра — одной миллионной доли метра) и быстрый отвод тепла в массивный термостат.
Понижение температуры, как поясняют исследователи, существенно повышает стабильность наноструктур.
Михаил Давидович, профессор кафедры радиоэлектроники и электродинамики СГУ:
Поскольку решение задачи показало температуры электродов, близкие к плавлению, единственный путь повышения плотности тока — уменьшение нагрева и улучшение охлаждения. Использование температур порядка 1 К снижает тепловые потери примерно в 300 раз. Если применить сверхпроводящие электроды, нагрев исчезает вовсе. При температуре жидкого гелия полностью решается проблема теплоотвода. Именно такие макроскопические квантовые системы — с контактами Джозефсона — принесли в 2025 году Нобелевскую премию по физике.
Сейчас коллектив работает над моделированием квазипериодических сверхпроводящих структур, где ток и тепло уравновешены в предельно точной квантовой гармонии.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования России в рамках государственного задания и соответствует стратегическим направлениям программы «Приоритет-2030». Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.