В России создали новый класс наноматериалов для электроники будущего — в них магнетизм соседствует со сверхпроводимостью и не только

Кремниевая электроника вплотную приблизилась к физическому барьеру, за которым классические законы физики уступают место квантовым аномалиям. Выход из этой технологической ловушки, как выяснилось, может быть найден не в отказе от привычных материалов, а в радикальном пересмотре их структуры. Ученые Курчатовского института представили семейство слоистых материалов на основе кремния и германия, которые уже в лабораторных условиях демонстрируют свойства, ранее считавшиеся несовместимыми: сверхпроводимость, магнетизм и рекордную подвижность зарядов.

Атомная сборка: как силицен и германен меняют правила игры

В основе открытия лежит метод синтеза, напоминающий сборку конструктора на атомарном уровне. Исследователи использовали силицен и германен — двумерные аналоги графена, состоящие из одного слоя атомов кремния или германия. Эти монослои послужили прекурсорами для создания более сложных многослойных структур.

Ключевое отличие новой технологии — возможность точно контролировать свойства конечного материала простым изменением количества монослоёв. Это позволяет получать целые «линейки» материалов с заданными характеристиками. Руководитель проекта Андрей Токмачёв подчеркивает: «Наш подход позволил создать целые классы новых материалов, обладающих различными функциональными свойствами».

Сверхпроводимость и магнетизм: союз, который стал возможен

Одним из самых интригующих результатов стало обнаружение сверхпроводимости в тонкопленочном материале SrAlSi на кремниевой подложке. Эффект сохраняется даже при толщине в несколько атомных слоев. Более того, транспортные измерения зафиксировали переход от трехмерной сверхпроводимости к двумерной — явление, которое открывает путь к созданию квантовых логических элементов.

Не менее значимым прорывом выглядит совмещение высокой подвижности носителей заряда и магнитных свойств в соединениях EuAl₂Ge₂ и SrAl₂Ge₂. До недавнего времени эти характеристики считались взаимоисключающими. «Сверхпроводимость и магнетизм этих материалов позволяют существенно расширить возможности при создании устройств наноэлектроники», — комментирует Андрей Токмачёв.

С практической точки зрения, именно совмещение этих свойств открывает дорогу к созданию устройств спинтроники, где информация кодируется не зарядом, а спином электрона. Это обещает многократное увеличение быстродействия и энергоэффективности будущих процессоров.

Традиционная микроэлектроника десятилетиями двигалась по пути миниатюризации транзисторов, но сегодня этот маршрут упирается в квантовые эффекты. Туннелирование электронов делает работу сверхтонких кремниевых структур непредсказуемой. Именно здесь кроется главное преимущество разработки Курчатовского института: новые материалы не требуют создания принципиально новой промышленной инфраструктуры. Производство может быть налажено на существующих полупроводниковых установках с использованием кремниевых и германиевых подложек в качестве реагентов.

Публикации, подтверждающие результаты экспериментов, уже вышли в авторитетных международных научных журналах. Это указывает на высокий уровень верификации данных, что критически важно для дальнейшего масштабирования технологии. Однако путь от лабораторного образца до коммерческого чипа требует решения целого ряда инженерных задач, главная из которых — обеспечение стабильности и воспроизводимости свойств синтезируемых слоистых структур при массовом производстве.