Современные коммуникации в основном завязаны на свет, электромагнитные волны и электрические токи. Но есть среды, в которых звук работает лучше: например, в океане свет и токи быстро затухают, а звуковые волны без проблем распространяются на большие расстояния. Внутри человеческого тела ультразвук уже используется для диагностики и терапии. Управляемые фононы могли бы расширить эти возможности.
Новое устройство, разработанное специалистами Университета Макгилла представляет собой ультратонкий кристаллический слой — фактически двумерный материал толщиной всего в несколько атомов. Через него пропускают электрический ток, а электроны движутся по узкому каналу, «запертому» внутри этого слоя. Физики обнаружили, что если достаточно сильно «разогнать» электроны в таком канале, они начинают отдавать энергию в виде «залпов» фононов — колебаний кристаллической решетки, похожих на звук, но на квантовом уровне. Причем эти всплески возникают в предсказуемых и настраиваемых режимах.
Чтобы увидеть такой эффект, устройство охладили до температур от примерно 10 миллиКельвинов (то есть на доли градуса выше абсолютного нуля) до 3,9 Кельвина. В этом диапазоне тепловое движение молекул сильно подавлено, и электроны ведут себя гораздо более упорядоченно, проявляя квантовые свойства — как волны, а не как классические частицы.
«Вблизи абсолютного нуля, в мире квантовой физики, звук не возникает, если только электроны не движутся коллективно со скоростью звука или выше», поясняет соавтор работы, профессор физики Майкл Хилке. Ранее такие эффекты уже наблюдались при приближении скоростей электронов к «звуковому барьеру» в кристалле. Новое исследование показывает, что существующие теории нужно пересматривать: электроны могут быть очень «горячими» (то есть обладать высокой энергией), даже если сам кристалл охлажден почти до абсолютного нуля температур.
Ученые формализовали эти процессы и показали, что фононы можно генерировать управляемо — это важный шаг к созданию фононных лазеров, где вместо фотонов (квантов света) в когерентный пучок собираются фононы.
На следующем этапе ученые собираются проверить, как поведет себя аналогичное устройство из других материалов, в частности графена, где электроны будут двигаться еще быстрее. Это может ускорить работу таких приборов и приблизить их к практическому применению, например, в высокоскоростных системах связи, инновационных сенсорах, приборах для изучения биологических тканей и медицинской диагностики.
«Фононы трудно генерировать и контролировать, поэтому мы анализируем новые варианты, — говорит Хилке. — В широком смысле речь сейчас идет о том, как электрический ток и энергия движутся и преобразуются внутри передовых электронных материалов».
Ранее физики научились управлять электронами без магнитов.
Источник: hi-tech.mail.ru