Phát triển đường một chiều cho các electron

Trong một cấu trúc hình học siêu nhỏ ở những điều kiện thích hợp, các electron có thể được xử lý như những hạt nẩy khỏi một bức tường. Nếu các electron này được chứa trong một dây dẫn và đối xứng bị phá vỡ, các electron có thể được xoáy thành hình phễu theo một chiều và ngăn không di chuyển theo hướng khác, tạo ra một đi ốt điện. Nguồn: J. Custer

Phương pháp này đã vượt qua được những giới hạn về tốc độ của những công nghệ trước bằng việc loại bỏ các giao diện có xu hướng làm chậm thiết bị. “Công trình này rất thú vị bởi nó có thể cho phép một tương lai, nơi những thứ như những đồng hồ thông minh tốn ít điện năng được nạp không dây từ dữ liệu mà không cần phải rời khỏi cổ tay con người”, James Custer Jr., một nghiên cứu sinh ở trường Khoa học và nghệ thuật thuộc UNC-Chapel Hill, nhận xét.

Các kết quả này đã được xuất bản trên Science với bài báo “Ratcheting quasi-ballistic electrons in silicon geometric diodes at room temperature”. Custer và tác giả thứ nhất. Anh hợp tác nghiên cứu với các cộng sự tại trường đại học Duke và Vanderbilt.

Electron là hạt mang điện tích, tạo ra dòng điện khi di chuyển trong một dây dẫn. Chúng không quan tâm đến hình dạng của dây mà các dòng điện đi qua. Khi các dây dẫn ở mức rất nhỏ, hình dạng của dây dẫn mới thành vấn đề. Các phễu ở đây cũng rất nhỏ, nhỏ hơn một dây dẫn điện điển hình cả triệu lần. Kết quả là các electron bên trong hành xử như các viên bóng billiard – nẩy lên một cách tự do khỏi các bề mặt. Cái phễu phi đối xứng hình thành sau đó do các electron này thường ‘ưu tiên’ nẩy theo một hướng. Trên thực tế, các electron bị buộc phải đi theo một con đường một chiều.

Trong điện áp một chiều, cái phễu được tạo ra một cách dễ dàng bởi dòng điện đi theo hướng về phía trước, tạo ra một đi ốt điện. Khi đưa một dòng điện xoay chiều vào, cấu trúc này vẫn cho phép dòng điện chạy theo một hướng, hành xử như một bộ truyền động răng cưa (ratchet) và khiến các electron tập hợp về một bên. Quá trình này giống như một cú vặn ổ cắm, trong đó các bộ truyền động răng cưa bị ép tạo ra chuyển động vật lý chỉ theo một hướng.

Công trình này chứng tỏ các bộ truyền động răng cưa tạo ra “các đi ốt hình học” được vận hành ở nhiệt độ phòng và có thể giải phóng các năng lực còn chưa được biết đến trong cơ chế điện từ terahertz.

“Các đi ốt điện là thành phần cơ bản của thiết bị điện tử, và các kết quả của chúng tôi đề xuất khả năng hình thành một mô hình khác biệt hoàn toàn để thiết kế các đi ốt vận hành ở các tần số siêu cao”, James Cahoon, một phó giáo sư hóa học, cho biết. Cahoon là tác giả chính của công trình và là người dẫn dắt nhóm nghiên cứu. “Điều này là có thể bởi chúng tôi đã nuôi các cấu trúc theo cách thức từ dưới lên, áp dụng một quá trình tổng hợp để thu được những vật liệu kết tinh chính xác về mặt hình học”.

Các bộ truyền động electron được tạo ra từ một quy trình do nhóm nghiên cứu của Cahoon mang tên ENGRAVE (Nuôi cấy dây dẫn nano mã hóa và Xuất hiện thông qua VLS, công nghệ khắc) phát triển trước đây. ENGRAVE sử dụng một quá trình xử lý theo cơ chế hơi – lỏng – rắn (VLS vapor-liquid-solid) để nuôi các xi lanh silicon ở dạng đơn tinh thể, hay còn gọi là các dây nano, với độ chính xác về mặt hình học.

“Rất nhiều thứ trong công trình nghiên cứu đã được thực hiện trước đây với những loại vật liệu đắt đỏ tại các mức nhiệt độ đông lạnh nhưng công trình này đã nhấn vào các đi ốt hình học liên quan đến các silicon giá thành rẻ có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng, khiến chúng tôi ngạc nhiên trước tiên”, Custer nói. “Chúng tôi hi vọng các kết quả nghiên cứu sẽ góp phần đem lại sự quan tâm vào các đi ốt hình học”.

Các diode là yếu tố cơ bản cho mọi loại công nghệ; chúng cho phép các máy tính có thể xử lý dữ liệu bằng việc mã hóa các tín hiệu thành 1 và 0. Về mặt truyền thống, các đi ốt đòi hỏi các giao diện giữa các vật liệu như giữa các bán dẫn và kim loại kiểu n và kiểu p. Tuy nhiên ngược lại, các đi ốt hình học được tạo ra từ một loại vật liệu và được hình thành một cách đơn giản để có thể trực tiếp nạp điện theo một hướng nhất định.

Với bước phát triển tiếp theo, các bộ truyền động bánh răng electron dây nano hứa hẹn có một bước tiến lớn hơn đến những công nghệ mới.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-04-one-way-street-electrons.html