Сказано немного громко, но учёные действительно смогли поставить эксперимент, в котором структура из графена способна переключаться из одного фазового состояния в другое под воздействием управляющего напряжения. Сразу уточним, что поставленный в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли эксперимент лишь подтвердил представленные ранее теоретические обоснования, что говорит о предельно раннем этапе исследований. Учёным ещё предстоит пройти длинный путь, чтобы транзистор из графена стал коммерческим продуктом.
Экспериментальная структура под электронным микроскопом (Guorui Chen/Berkeley Lab)
Статья, посвящённая исследованию, опубликована в журнале Nature. Имитирующая транзистор структура представляет собой три слоя графена, каждый из которых толщиной в один атом, и два слоя нитрида бора по одному сверху и снизу графенового пакета. Также к слоям нитрида бора подведены электроды для создания управляющего поля. Для работы структуру пришлось охладить до температуры около 5 К. Поскольку теория для сверхпроводимости при высоких температурах имеет массу белых пятен, подбирать значения управляющих напряжений и температуру охлаждения пришлось экспериментально, с чем учёные успешно справились.
При одном значении напряжения (силе вертикального электромагнитного поля) «транзистор» прекращал проводить электрический ток ― находился в закрытом состоянии, а при повышении мощности или при дальнейшем снижении температуры (ниже 40 милликельвин) превращался в сверхпроводник и проводил электричество. Физика процесса при этом следующая. Строение нитрида бора шестиугольное, которое напоминает строение графена, но из-за разницы расстояний между атомами совпадает с ним только на определённых участках. При наложении структур (листов) образуется так называемая муаровая сверхрешётка с регулярно чередующимися (примерно через 10 нм) участками почти полного совпадения. «Транзисторные переходы» возможно создавать как раз в таких зонах.
Муаровая сверхрешётка из листов графена и нитрида бора (Guorui Chen/Berkeley Lab)
При температуре около 5 К и до определённого значения напряжения структура представляет собой моттовский диэлектрик. В теории она должна проводить электроны, но из-за сильного взаимодействия электронов этого не происходит. Нарушить равновесие и перевести структуру в режим сверхпроводимости можно либо с помощью сильного электромагнитного поля, либо в случае дальнейшего охлаждения структуры. Тогда создадутся условия, при которых электроны локально перестанут удерживать друг друга и устремятся в «колодцы» в зонах совпадения кристаллических решёток, а «транзистор» перейдёт в открытое состояние.
