Колебания атомов помогут хранить информацию

Физики обнаружили моды колебаний атомов в кристаллическом веществе, соответствующие круговому движению атомов. Вращение атомам можно придать в разных направлениях, чему будут соответствовать разные фононы — квазичастицы колебаний решетки. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Science.

Атомы в кристаллических решетках не находятся в покое — они совершают постоянные колебания. Математически такие колебания удобно описывать с помощью волн, причем наибольшей энергией будут обладать упругие волны низких частот, квантами которых являются фононы. Современная электроника опирается на переносимый электронами заряд для передачи и хранения информации. Существенной проблемой этой области являются связанные с выделением тепла и утечками сложности, неизбежные при переходе к микромасштабам.

В новой работе исследуется двумерный материал селенид вольфрама (IV) WSe₂. Оказывается, в этом материале возможны особые моды колебаний, которые заставляют двигаться по кругу атомы селена, при этом оставляя на месте вольфрам. Атомы могут вращаться в две разные стороны, то есть описываться двумя модами. Таким модам соответствуют хиральные фононы, названные так авторами по аналогии с хиральными молекулами, которые являются зеркальными отражениями друг друга, но при этом не совпадают.

«Фононы в твердом теле обычно рассматривают как коллективные движения атомов вдоль одного направления, — поясняет один из соавторов Сян Чжан из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, США. — Наши эксперименты демонстрируют существование нового типа так называемых хиральных фононов, одним из наиболее примечательных свойств которых является прочная связь между вращением и импульсом частицы, из-за чего это движение устойчиво к внешнему воздействию».

В данный момент ученым удалось возбудить лишь небольшое количество хиральных фононов. Физики надеются при помощи таких фононов управлять спинами электронов. Также это должно позволить разделить разрешенные уровни энергий для электронов проводимости. Некоторые полупроводники обладают несколькими минимальными уровнями — «долинами» — но их энергия слишком близка для практического использования. Между тем, ученые уже предлагают с помощью этих уровней записывать информацию, так как электроны в разных «долинах» могут отвечать нулям и единицам. Этим занимается направление электроники под названием волитроника (от valley — долина), а селенид вольфрама как раз является подходящим соединением.