140 წლიანი საიდუმლოს ამოხსნა ფიზიკაში

IBM Research-ის ავტორების სტატიის თარგმანი.

ფიზიკაში მნიშვნელოვანი მიღწევა საშუალებას მოგვცემს შევისწავლოთ ნახევარგამტარების ფიზიკური მახასიათებლები ბევრად უფრო დეტალურად. ეს შეიძლება დაეხმაროს შემდეგი თაობის ნახევარგამტარული ტექნოლოგიის განვითარებას.

Ავტორები:
ოკი გუნავანი - IBM Research-ის პერსონალის წევრი
დუგ ბიშოპი - დახასიათების ინჟინერი, IBM Research

ნახევარგამტარები არის დღევანდელი ციფრული ელექტრონული ეპოქის ძირითადი სამშენებლო ბლოკები, რომლებიც გვაწვდიან მრავალფეროვან მოწყობილობებს, რომლებიც სასარგებლოა ჩვენი თანამედროვე ცხოვრებისთვის, როგორიცაა კომპიუტერები, სმარტფონები და სხვა მობილური მოწყობილობები. ნახევარგამტარების ფუნქციონალურობისა და მუშაობის გაუმჯობესება ასევე საშუალებას აძლევს შემდეგი თაობის ნახევარგამტარულ აპლიკაციებს გამოთვლებში, ზონდირებასა და ენერგიის გარდაქმნაში. მკვლევარები დიდი ხანია იბრძვიან იმისათვის, რომ გადალახონ შეზღუდვები ჩვენს შესაძლებლობებში, სრულად გავიგოთ ელექტრონული მუხტები ნახევარგამტარულ მოწყობილობებში და მოწინავე ნახევარგამტარულ მასალებში, რომლებიც ხელს უშლიან წინსვლის უნარს.

ჟურნალის ახალ კვლევაში ბუნება IBM Research-ის კვლევითი თანამშრომლობა აღწერს საინტერესო მიღწევას ფიზიკაში 140 წლიანი საიდუმლოს ამოხსნაში, რომელიც საშუალებას მოგვცემს უფრო დეტალურად შევისწავლოთ ნახევარგამტარების ფიზიკური მახასიათებლები და შევქმნათ ახალი და გაუმჯობესებული ნახევარგამტარული მასალები.

ნახევარგამტარების ფიზიკის ჭეშმარიტად გასაგებად, ჯერ უნდა გავიგოთ მასალების შიგნით მუხტის მატარებლების ფუნდამენტური თვისებები, უარყოფითი თუ დადებითი ნაწილაკები, მათი სიჩქარე გამოყენებული ელექტრულ ველში და რამდენად მკვრივია ისინი შეფუთული მასალაში. ფიზიკოსმა ედვინ ჰოლმა იპოვა გზა ამ თვისებების დასადგენად 1879 წელს, როდესაც აღმოაჩინა, რომ მაგნიტური ველი აფერხებს ელექტრონის მუხტების მოძრაობას გამტარში და რომ გადახრის რაოდენობა შეიძლება შეფასდეს, როგორც პოტენციური სხვაობა პერპენდიკულარული დამუხტვის მიმართულების დინების მიმართ. ნაწილაკები, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 1a. ეს ძაბვა, რომელიც ცნობილია როგორც ჰოლის ძაბვა, ავლენს მნიშვნელოვან ინფორმაციას ნახევარგამტარში მუხტის მატარებლების შესახებ, მათ შორის არის თუ არა ისინი უარყოფითი ელექტრონები ან დადებითი კვაზინაწილაკები, რომლებსაც უწოდებენ "ხვრელებს", რამდენად სწრაფად მოძრაობენ ისინი ელექტრულ ველში ან მათ "მობილურობა" (μ. ) და მათი კონცენტრაცია (n) ნახევარგამტარის შიგნით.

140 წლის საიდუმლო

ჰოლის აღმოჩენიდან ათწლეულების შემდეგ, მკვლევარებმა ასევე აღმოაჩინეს, რომ მათ შეეძლოთ ჰოლის ეფექტის გაზომვა შუქით - ექსპერიმენტები, რომლებსაც ფოტოჰოლი ეწოდება, იხილეთ სურათი 1b. ასეთ ექსპერიმენტებში სინათლის განათება წარმოქმნის რამდენიმე მატარებელს ან ელექტრონ-ხვრელების წყვილებს ნახევარგამტარებში. სამწუხაროდ, ჰოლის ძირითადი ეფექტის ჩვენმა გაგებამ შემოგვთავაზა მუხტის მხოლოდ უმრავლესობის (ან უმრავლესობის) მატარებლების შესახებ ინფორმაცია. მკვლევარებმა ვერ შეძლეს პარამეტრის ამოღება ორივე მედიიდან (ძირითადი და არა ძირითადი) ერთდროულად. ასეთი ინფორმაცია საკვანძოა შუქთან დაკავშირებული მრავალი აპლიკაციისთვის, როგორიცაა მზის პანელები და სხვა ოპტოელექტრონული მოწყობილობები.

IBM Research ჟურნალის კვლევა ბუნება ავლენს ჰოლის ეფექტის ერთ-ერთ დიდხანს შენახულ საიდუმლოს. კორეის მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების მოწინავე ინსტიტუტის (KAIST), კორეის ქიმიური ტექნოლოგიების კვლევითი ინსტიტუტის (KRICT), დიუკის უნივერსიტეტისა და IBM-ის მკვლევარებმა აღმოაჩინეს ახალი ფორმულა და ტექნიკა, რომელიც საშუალებას გვაძლევს ერთდროულად გამოვიტანოთ ინფორმაცია ძირითადი და არასაბაზისო შესახებ. მატარებლები, როგორიცაა მათი კონცენტრაცია და მობილურობა, ასევე მიიღეთ დამატებითი ინფორმაცია მატარებლის სიცოცხლის ხანგრძლივობის, დიფუზიის სიგრძისა და რეკომბინაციის პროცესის შესახებ.

უფრო კონკრეტულად, ფოტო-ჰოლის ექსპერიმენტში ორივე მატარებელი ხელს უწყობს გამტარობის (σ) და ჰოლის კოეფიციენტის (H, ჰოლის ძაბვის მაგნიტურ ველთან შეფარდების პროპორციულ ცვლილებებს). ძირითადი შეხედულებები მოდის გამტარობისა და ჰოლის კოეფიციენტის გაზომვით, სინათლის ინტენსივობის ფუნქციით. გამტარობა-ჰოლის კოეფიციენტის მრუდის (σ-H) ფორმაში დამალული ფუნდამენტურად ახალი ინფორმაციაა: განსხვავება ორივე მატარებლის მობილურობაში. როგორც სტატიაში იყო განხილული, ეს ურთიერთობა შეიძლება გამოიხატოს ელეგანტურად:

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

დაწყებული უმრავლესობის მატარებლის ცნობილი სიმკვრივით ტრადიციული ჰოლის გაზომვით სიბნელეში, ჩვენ შეგვიძლია გამოვავლინოთ როგორც უმრავლესობის, ისე უმცირესობის გადამზიდავის მობილურობა და სიმკვრივე, როგორც სინათლის ინტენსივობის ფუნქცია. ჯგუფმა დაასახელა გაზომვის ახალი მეთოდი: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). სინათლის განათების ცნობილი ინტენსივობით, მატარებლის სიცოცხლის ხანგრძლივობა შეიძლება დადგინდეს ანალოგიურად. ეს კავშირი და მისი გადაწყვეტილებები ჰოლის ეფექტის აღმოჩენის შემდეგ თითქმის საუკუნენახევარი იმალებოდა.

ამ თეორიული გაგების მიღწევების გარდა, ექსპერიმენტულ მეთოდებში მიღწევები ასევე მნიშვნელოვანია ამ ახალი მეთოდის გასააქტიურებლად. მეთოდი მოითხოვს ჰოლის სიგნალის სუფთა გაზომვას, რაც შეიძლება რთული იყოს მასალებისთვის, სადაც ჰოლის სიგნალი სუსტია (მაგალითად, დაბალი მობილურობის გამო) ან როდესაც არსებობს დამატებითი არასასურველი სიგნალები, როგორიცაა ძლიერი სინათლის დასხივება. ამისათვის აუცილებელია ჰოლის გაზომვის ჩატარება რხევადი მაგნიტური ველის გამოყენებით. ისევე, როგორც რადიოს მოსმენისას, თქვენ უნდა აირჩიოთ სასურველი სადგურის სიხშირე, უგულებელყოთ ყველა სხვა სიხშირე, რომელიც მოქმედებს როგორც ხმაური. CRPH მეთოდი მიდის ერთი ნაბიჯით წინ და ირჩევს არა მხოლოდ სასურველ სიხშირეს, არამედ რხევადი მაგნიტური ველის ფაზას სინქრონული სენსორული მეთოდის გამოყენებით. რხევადი ჰოლის გაზომვის ეს კონცეფცია დიდი ხანია ცნობილია, მაგრამ რხევადი მაგნიტური ველის შესაქმნელად ელექტრომაგნიტური ხვეულების სისტემის გამოყენების ტრადიციული მეთოდი არაეფექტური იყო.

წინა აღმოჩენა

როგორც ხშირად ხდება მეცნიერებაში, ერთ სფეროში მიღწევები განპირობებულია მეორეში აღმოჩენებით. 2015 წელს, IBM Research-მა გამოაცხადა ფიზიკაში მანამდე უცნობი ფენომენი, რომელიც დაკავშირებულია მაგნიტური ველის შეზღუდვის ახალ ეფექტთან, სახელწოდებით „აქლემის კეხი“, რომელიც წარმოიქმნება განივი დიპოლების ორ ხაზს შორის, როდესაც ისინი აღემატება კრიტიკულ სიგრძეს, როგორც ნაჩვენებია 2a სურათზე. ეფექტი არის ძირითადი მახასიათებელი, რომელიც საშუალებას აძლევს ახალი ტიპის ბუნებრივი მაგნიტური ხაფანგს, რომელსაც ეწოდება პარალელური დიპოლური ხაზის ხაფანგი (PDL ხაფანგი), როგორც ნაჩვენებია 2b სურათზე. მაგნიტური PDL ხაფანგი შეიძლება გამოყენებულ იქნას, როგორც ახალი პლატფორმა სხვადასხვა სენსორული აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა დახრის საზომი, სეისმომეტრი (მიწისძვრის სენსორი). ასეთ ახალ სენსორულ სისტემებს, დიდი მონაცემთა ტექნოლოგიებთან ერთად, შეუძლია მრავალი ახალი აპლიკაციის გახსნა და იკვლევს IBM კვლევის ჯგუფი, რომელიც ავითარებს მონაცემთა დიდი ანალიტიკის პლატფორმას სახელწოდებით IBM Physical Analytics ინტეგრირებული საცავის სერვისი (PAIRS), რომელიც შეიცავს უამრავ გეოსივრცულ ინფორმაციას. და ნივთების ინტერნეტის მონაცემები (IoT).

გასაკვირია, რომ იგივე PDL ელემენტს აქვს კიდევ ერთი უნიკალური პროგრამა. როდესაც ბრუნავს, ის ემსახურება როგორც ფოტო-ჰოლის იდეალურ ექსპერიმენტულ სისტემას მაგნიტური ველის ცალმხრივი და სუფთა ჰარმონიული რხევის მისაღებად (სურათი 2c). რაც მთავარია, სისტემა უზრუნველყოფს საკმარის ადგილს, რათა მოხდეს ნიმუშის ფართო არეალის განათება, რაც გადამწყვეტია ფოტო-ჰოლის ექსპერიმენტებში.

ზემოქმედების

ჩვენ მიერ შემუშავებული ახალი ფოტო-დარბაზის მეთოდი საშუალებას გვაძლევს გამოვიტანოთ საოცარი რაოდენობის ინფორმაცია ნახევარგამტარებიდან. კლასიკური ჰოლის გაზომვისას მიღებული მხოლოდ სამი პარამეტრისგან განსხვავებით, ეს ახალი მეთოდი იძლევა შვიდ პარამეტრს თითოეული შემოწმებული სინათლის ინტენსივობის დროს. ეს მოიცავს როგორც ელექტრონების, ასევე ხვრელების მობილობას; მათი მატარებლის კონცენტრაცია სინათლის გავლენის ქვეშ; რეკომბინაციის სიცოცხლე; და დიფუზიის სიგრძე ელექტრონების, ხვრელების და ამბიპოლარული ტიპებისთვის. ეს ყველაფერი შეიძლება N-ჯერ განმეორდეს (ანუ ექსპერიმენტში გამოყენებული სინათლის ინტენსივობის პარამეტრების რაოდენობა).

ეს ახალი აღმოჩენა და ტექნოლოგია ხელს შეუწყობს ნახევარგამტარების წინსვლას როგორც არსებულ, ისე განვითარებად ტექნოლოგიებში. ჩვენ ახლა გვაქვს ცოდნა და ინსტრუმენტები, რომლებიც საჭიროა ნახევარგამტარული მასალების ფიზიკური მახასიათებლების დეტალურად ამოსაღებად. მაგალითად, ეს ხელს შეუწყობს შემდეგი თაობის ნახევარგამტარული ტექნოლოგიის განვითარებას, როგორიცაა უკეთესი მზის პანელები, უკეთესი ოპტოელექტრონული მოწყობილობები და ახალი მასალები და მოწყობილობები ხელოვნური ინტელექტის ტექნოლოგიებისთვის.

Original სტატია გამოქვეყნდა 7 წლის 2019 ოქტომბერს ქ IBM Research ბლოგი.
თარგმანი: ნიკოლაი მარინი (ნიკოლაი მარინი), IBM-ის ტექნოლოგიის მთავარი ოფიცერი რუსეთსა და დსთ-ს ქვეყნებში.

წყარო: www.habr.com