Fisikan 140 urteko sekretu bat argitzea

IBM Research-eko egileen artikulu baten itzulpena.

Fisikaren aurrerapen garrantzitsu batek erdieroaleen ezaugarri fisikoak askoz xehetasun handiagoz aztertzeko aukera emango digu. Horrek hurrengo belaunaldiko erdieroaleen teknologiaren garapena bizkortzen lagun dezake.

Egileak:
Oki Gunawan — IBM Researcheko langilea
Doug Bishop - Karakterizazio ingeniaria, IBM Research

Erdieroaleak gaur egungo aro elektroniko digitalaren oinarrizko eraikuntza-blokeak dira, gure bizitza modernoan onuragarriak diren hainbat gailu eskaintzen dizkigute, hala nola ordenagailuak, telefono adimendunak eta beste gailu mugikor batzuk. Erdieroaleen funtzionaltasun eta errendimenduaren hobekuntzak hurrengo belaunaldiko erdieroaleen aplikazioak ahalbidetzen ari dira informatikan, sentsorean eta energia bihurtzean. Ikertzaileek aspalditik borrokan aritu dira aurrera egiteko ahalmenari eusten dioten gailu erdieroaleen eta material erdieroale aurreratuen barneko karga elektronikoak guztiz ulertzeko gure gaitasunaren mugak gainditzeko.

Aldizkarian egindako ikerketa berri batean Nature IBM Research-ek zuzendutako ikerketa-lankidetza batek fisikan 140 urteko misterio bat ebazteko aurrerapen zirraragarria deskribatzen du, erdieroaleen ezaugarri fisikoak askoz xehetasun handiagoz aztertzeko eta material erdieroale berri eta hobetuak garatzeko aukera emango diguna.

Erdieroaleen fisika benetan ulertzeko, lehenik eta behin materialen karga-eramaileen oinarrizko propietateak ulertu behar ditugu, partikula negatiboak edo positiboak diren, eremu elektriko aplikatuan duten abiadura eta materialaren barruan zenbat dentsitate dauden. Edwin Hall fisikariak propietate horiek zehazteko modua aurkitu zuen 1879an aurkitu zuenean eremu magnetiko batek eroale baten barruan elektroi-kargen mugimendua desbideratuko duela eta desbideratze-kopurua kargatutako fluxuaren norabide perpendikularra den potentzial-diferentzia gisa neur daitekeela. partikulak, 1a irudian ikusten den bezala. Hall tentsioa izenez ezagutzen den tentsio honek erdieroalean dauden karga-eramaileei buruzko informazio esanguratsua erakusten du, besteak beste, elektroi negatiboak edo "zulo" izeneko kuasipartikula positiboak diren, eremu elektrikoan zenbat azkar mugitzen diren edo haien "mugikortasuna" (µ). ), eta haien kontzentrazioa (n) erdieroalearen barruan.

140 urteko misterioa

Hall-en aurkikuntzatik hamarkada batzuetara, Hall efektuaren neurketak argiarekin egin zitezkeela ere aurkitu zuten ikertzaileek —photo-Hall izeneko esperimentuak, ikus 1b irudia—. Horrelako esperimentuetan, argiaren argiztapenak erdieroaleetan hainbat eramaile edo elektroi-zulo bikoteak sortzen ditu. Zoritxarrez, Hall efektuaren oinarrizko ezagutzak gehiengo (edo gehiengo) karga-eramaileei buruzko informazioa eman du. Ikertzaileek ezin izan dituzte bi euskarrietatik (nagusiak eta ez nagusiak) parametroak aldi berean atera. Informazio hori funtsezkoa da argiarekin lotutako aplikazio askotan, hala nola, eguzki plakak eta beste gailu optoelektronikoak.

IBM Research aldizkariaren azterketa Nature Hall efektuaren aspaldi gordetako sekretuetako bat agerian uzten du. Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke Unibertsitateko eta IBMko ikertzaileek formula eta teknika berri bat aurkitu dute, oinarrizko eta ez-oinarrizkoei buruzko informazioa aldi berean ateratzeko aukera ematen diguna. garraiatzaileak, hala nola haien kontzentrazioa eta mugikortasuna, baita eramailearen bizi-iraupenari, difusio-luzerari eta birkonbinazio-prozesuari buruzko informazio osagarria eskuratzea ere.

Zehatzago esanda, photo-Hall esperimentu batean, bi eramaileek eroankortasunaren (σ) eta Hall koefizientearen (H, Hall tentsioaren eremu magnetikoaren erlazioaren proportzionala) aldaketetan laguntzen dute. Eroankortasuna eta Hall koefizientea argiaren intentsitatearen arabera neurtzetik datoz. Eroankortasun-Hall koefizientearen kurbak (σ-H) forman ezkutatuta informazio funtsean berria erakusten du: bi eramaileen mugikortasunaren aldea. Artikuluan eztabaidatzen den bezala, harreman hau dotore adieraz daiteke:

$$bistaratzea$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$bistaratzea$$

Ilunpetan Hall-en neurketa tradizional batetik garraiatzaile gehiengoaren dentsitate ezagun batetik abiatuta, garraiatzaile gehienen zein gutxiengoen mugikortasuna eta dentsitatea agerian dezakegu argiaren intentsitatearen arabera. Taldeak neurketa metodo berriari izena jarri zion: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Argiaren argiaren intentsitate ezagunarekin, eramailearen bizitza-iraupena antzeko moduan ezar daiteke. Lotura hau eta bere konponbideak ezkutuan egon dira ia mende eta erdiz Hall efektua aurkitu zenetik.

Ulermen teoriko honen aurrerapenez gain, metodo esperimentalen aurrerapenak ere funtsezkoak dira metodo berri hau ahalbidetzeko. Metodoak Hall seinalearen neurketa hutsa behar du, eta hori zaila izan daiteke Hall seinalea ahula den materialetan (adibidez, mugikortasun baxuaren ondorioz) edo nahi ez diren seinale gehigarriak daudenean, argi-irradiazio indartsuarekin gertatzen den bezala. Horretarako, Hall neurketa bat egitea beharrezkoa da eremu magnetiko oszilatzailea erabiliz. Irratia entzutean bezala, nahi duzun katearen maiztasuna hautatu behar duzu, zarata gisa jokatzen duten beste maiztasun guztiak baztertuz. CRPH metodoak urrats bat haratago doa eta nahi den maiztasuna ez ezik eremu magnetiko oszilatzailearen fasea ere hautatzen du sentsazio sinkronoa izeneko metodoa erabiliz. Hall neurketa oszilatzailearen kontzeptu hau aspalditik ezaguna da, baina eremu magnetiko oszilatzailea sortzeko bobina elektromagnetikoen sistema erabiltzeko metodo tradizionala ez zen eraginkorra.

Aurreko aurkikuntza

Zientzian askotan gertatzen den bezala, arlo bateko aurrerapenak beste batean egindako aurkikuntzek bultzatzen dituzte. 2015ean, IBM Research-ek "kamel hump" efektu izeneko eremu magnetiko konfinamendu efektu berri bati lotutako fisikan orain arte ezezaguna den fenomeno baten berri eman zuen, luzera kritikoa gainditzen dutenean zeharkako dipolo bi lerroen artean gertatzen dena, 2a irudian erakusten den moduan. Efektua funtsezko ezaugarri bat da, tranpa magnetiko natural mota berri bat ahalbidetzen duena, dipolo paraleloen tranpa (PDL) izenekoa, 2b irudian ikusten den moduan. PDL tranpa magnetikoa plataforma berritzaile gisa erabil daiteke hainbat sentsazio-aplikaziotarako, hala nola inklinazio-neurgailua, sismometroa (lurrikararen sentsorea). Sentsore-sistema berri horiek, datu handien teknologiekin batera, aplikazio berri asko ireki ditzakete, eta IBM Research taldeak datu handien analisirako plataforma bat garatzen ari da, IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) izenekoa, zeina geoespazio ugari dituena. eta Gauzen Interneten datuak (IoT).

Harrigarria bada ere, PDL elementu berak beste aplikazio berezi bat dauka. Biratzen denean, eremu magnetikoaren oszilazio harmoniko bakarreko eta harmoniko hutsa lortzeko photo-Hall esperimentu sistema aproposa gisa balio du (2c irudia). Are garrantzitsuagoa dena, sistemak nahikoa espazio eskaintzen du laginaren eremu zabal bat argiztatzeko, eta hori ezinbestekoa da photo-Hall esperimentuetan.

Eraginaren

Garatu dugun photo-hall metodo berriak erdieroaleetatik informazio kopuru harrigarria ateratzeko aukera ematen digu. Hallen neurketa klasikoan lortutako hiru parametrorekin alderatuta, metodo berri honek zazpi parametro ematen ditu probatutako argi intentsitate bakoitzean. Honek elektroien zein zuloen mugikortasuna barne hartzen du; beren eramailearen kontzentrazioa argiaren eraginpean; birkonbinazio-bizitza; eta elektroi, zulo eta mota anbipolarren difusio-luzera. Hori guztia N aldiz errepika daiteke (hau da, esperimentuan erabilitako argi-intentsitatearen parametro kopurua).

Aurkikuntza eta teknologia berri honek erdieroaleen aurrerapenak aurrera egiten lagunduko du, bai lehendik dauden teknologietan eta baita sortzen ari diren teknologietan ere. Gaur egun material erdieroaleen ezaugarri fisikoak xehetasun handiz ateratzeko behar diren ezagutzak eta tresnak ditugu. Esaterako, hurrengo belaunaldiko erdieroaleen teknologiaren garapena bizkortzen lagunduko du, hala nola eguzki-panel hobeak, gailu optoelektroniko hobeak eta adimen artifizialeko teknologietarako material eta gailu berriak.

Original 7ko urriaren 2019an argitaratutako artikulua IBM Research bloga.
itzulpena: Nikolay Marin (NikolayMarin), Errusiako eta CIS herrialdeetako IBMko Teknologiako zuzendari nagusia.

Iturria: www.habr.com