Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.931 RSS
←   Январь 2007   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
10.01.2007
04:33:36
12:58:54
11
12
12.01.2007
03:54:29
17:19:47
13
14
15
16
17
17.01.2007
03:24:02
16:29:56
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
31.01.2007
08:24:59
14:13:22


За последние 60 дней 1 выпусков (1 раз в 2 месяца)


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.931 подписчиков
-74 за неделю
←   Все выпуски   →

Физики придумали одноэлектронный холодильник


Откуда астрономы это знают?

Откуда астрономы это знают?

Как можно утверждать, например, что в двойной системе, удаленной от нас на 6 тысяч световых лет, вещество срывается с красной звезды, закручивается в тонкий диск и накапливается на поверхности белого карлика, предъявляя в качестве доказательства снимок, на котором не видны ни красная звезда, ни карлик, ни тем более диск, а наличествует лишь яркая точка в окружении еще нескольких таких же, разве что не столь ярких?

Статья доктора физико-математических наук Дмитрия Вибе

Физики придумали одноэлектронный холодильник

25.01.2007

Схема электронных перескоков на энергетической диаграмме (по вертикали отложена энергия электронов). В обычном металле (справа) электроны проводимости непрерывно заполняют все возможные энергии вплоть до некоторого уровня. В сверхпроводнике (слева) в распределении электронов по энергиям есть щель: область энергий, которую электроны иметь не могут. Поэтому из металла в сверхпроводник могут перескочить лишь достаточно «горячие» электроны, а обратно — только «холодные» (рис. из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters)
Схема электронных перескоков на энергетической диаграмме (по вертикали отложена энергия электронов). В обычном металле (справа) электроны проводимости непрерывно заполняют все возможные энергии вплоть до некоторого уровня. В сверхпроводнике (слева) в распределении электронов по энергиям есть щель: область энергий, которую электроны иметь не могут. Поэтому из металла в сверхпроводник могут перескочить лишь достаточно «горячие» электроны, а обратно — только «холодные» (рис. из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters)

Предложена схема нового микроэлектронного устройства — одноэлектронного холодильника. В нём под действием переменного напряжения электрон перескакивает между сверхпроводником и обычным металлом, на каждом шаге отбирая у металла тепло.

Раскаленные микропроцессоры современных компьютеров могут навести на мысль, что электрический ток неизбежно вызывает нагрев элементов цепи. Однако это не всегда так — уже давно существуют микроэлектронные устройства, например элементы Пельтье, которые охлаждаются при пропускании тока. Эффект Пельтье и другие термоэлектрические эффекты возникают из-за того, что разные металлы по-разному «заполнены» электронами. «Перетекая» из одного металла в другой, электроны могут испытать необходимость в дополнительной энергии, которую они и отбирают у металлов в зоне контакта, что приводит к охлаждению.

Новый виток этих исследований начался одно-два десятилетия назад вместе со стремительной миниатюризацией электроники вплоть до одноэлектронных устройств. На основе многослойных микроустройств, собранных — в различных комбинациях — из слоев сверхпроводника, металла, полупроводника и изолятора, были сконструированы микрорефрижераторы, микротермометры криогенных температур, микрокалориметры. Обзор современного состояния дел см. в статье Rev. Mod. Phys. 78, 217 (2006) (cond-mat/0508093).

Интересно, что, несмотря на эти достижения, до сих пор не была создан настоящий циклический микрохолодильник, то есть работающий не на протекающем сквозь него постоянном токе, а на периодическом движении зарядов вперед-назад. (Преимущества такой конструкции легко понять, если представить, как был бы неудобен обычный бытовой холодильник, но только не автономный, а использующий проточный хладагент, поступающий в квартиру по трубам.)

Авторы недавней статьи J. P. Pekola et al., Physical Review Letters 98, 037201 (16 January 2007), доступной также как cond-mat/0607814, восполнили этот пробел. В их работе описывается принцип работы микроэлектронного устройства, которое они назвали одноэлектронным холодильником (хотя более точно его следовало бы назвать двухэлектронным). Правда, в быту он вряд ли найдет применение, потому что работать он сможет при очень низких температурах — долях кельвина.

Такое устройство можно получить, если изготовить трехслойку «сверхпроводник—изолятор—нормальный металл» (СИН-переход) и подать на нее переменное напряжение. Тонкий зазор из изолятора, разделяющий сверхпроводник и маленький островок из обычного металла, препятствует свободному перетеканию электронов и позволяет им лишь туннелировать (перескакивать через классически запрещенную область) поодиночке. (Такой режим работы называется режимом кулоновской блокады, а само это направление микроэлектроники известно как «одноэлектроника».)

Из-за высокочастотного (десятки и сотни мегагерц) переменного напряжения в течение каждого периода лишь один-два электрона успевают перескочить с металла на сверхпроводник и затем обратно. При этом из-за различия электронных свойств сверхпроводника и металла возникает интересная картина с передачей энергии.

В сверхпроводнике все электронные состояния с низкой энергией заняты, поэтому перескочить туда из металла может только электрон с достаточно большой энергией. В течение полупериода, когда на сверхпроводник подается «плюс», перескочивший электрон тут же уносится прочь от контакта, вглубь сверхпроводника. Еще через полпериода, под действием обратного напряжения, из сверхпроводника в металл возвращается уже другой, более «холодный» электрон (см. рисунок). В результате получается циклический процесс, сопровождающийся направленной теплопередачей: у металла отбирают «горячие» электроны, а возвращают ему уже «холодные». Это и приводит к охлаждению металлического островка.

Авторы провели подробные аналитические вычисления и численное моделирование динамики этого процесса и выяснили, что в зависимости от частоты источника переменного напряжения и начальной температуры удается добиться охлаждения в два-три раза. Столь скромный результат объясняется тем, что электронный газ (электроны проводимости, находящиеся в металле) существует не сам по себе, а находится в тесном контакте с кристаллической решеткой металла. В результате электронный газ не только охлаждается за счет описанного выше механизма, но и постоянно подогревается из-за взаимодействия с более теплой решеткой. Тем не менее авторы уверены, что, используя схему из нескольких СИН-переходов, можно добиться и более эффективного охлаждения.

Стоит добавить, что экспериментальная реализация этой идеи интересна не только с точки зрения достижения низких температур, но и тем, то она позволит изучить свойства вещества в необычных, не встречающихся в природе условиях. Селективное охлаждение только электронного газа позволяет получить вещество с двумя температурами: температура электронного газа в нём будет ниже, чем температура решетки. Было бы интересно проверить, как ведет себя металл в такой ситуации.

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

24.01 Пауки-скакуны послужили моделью для изучения мимикрии

Австралийские зоологи на примере пауков-скакунов и муравьев, форму, цвет и даже повадки которых имитируют эти пауки, показали, что эволюционный путь видов-имитаторов не повторяет эволюцию видов-прообразов. Эволюция у пауков идет гораздо быстрее, чем у их моделей: широчайшая изменчивость внешнего вида и генотипа в пределах популяции служит богатым материалом для отбора.

23.01 Рассеянный склероз можно лечить аскаридами?

Медики из Аргентины установили, что рассеянный склероз протекает намного легче и развивается медленнее у пациентов, зараженных кишечными паразитами, в том числе аскаридами и острицами. По-видимому, выделяемые паразитами вещества подавляют активность некоторых типов клеток иммунной системы человека, и она перестает разрушать свои собственные нервные клетки.

22.01 Гравитационная постоянная измерена новыми методами

Гравитационная константа Ньютона измерена методами атомной интерферометрии. Новая методика свободна от недостатков чисто механических экспериментов и, возможно, позволит скоро изучать эффекты общей теории относительности в лаборатории.

18.01 В геноме трихомонады оказалось вдвое больше генов, чем у человека

Прочтен геном трихомонады — возбудителя венерического заболевания трихомониаза. У крошечного паразитического жгутиконосца, как выяснилось, вдвое больше генов, чем у человека, хотя сам геном — в 20 раз меньше, что говорит об очень плотной упаковке генетической информации. Более сотни генов — бактериального происхождения, некоторые из них облегчают паразиту прикрепление к клеткам хозяина.

17.01 Люди современного типа поселились на Дону более 40 000 лет назад

Археологи из России, США, Великобритании и Италии сумели доказать, что возраст древнейших поселений человека современного типа в Восточной Европе (комплекс стоянок Костенки на берегу Дона, современная Воронежская область) составляет 42–45 тысяч лет. Это означает, что Homo sapiens заселили Восточную Европу даже немного раньше, чем Центральную и Западную.

16.01 Наступает новая эра в теоретической ядерной физике

Физикам впервые удалось вывести нуклон-нуклонное взаимодействие «из первых принципов» — то есть (в данном случае) исходя из теории квантовой хромодинамики. Свыше полувека свойства ядерных сил были известны только экспериментально. Теперь же на смену эмпирическим законам ядерной физики приходят точные — правда, пока только численные — расчеты.

15.01 Древнейшие докембрийские эмбрионы оказались бактериями?

Считается, что микрошарики и кластеры шариков, широко представленные среди древнейших окаменелостей Доушаньтуо, — это яйца и ранние эмбрионы многоклеточных животных. Ведутся горячие споры: какому типу животных они могли принадлежать? И вот американские ученые предложили новую интерпретацию: возможно, это никакие не эмбрионы, а остатки гигантских серобактерий.

12.01 300 миллионов лет назад углекислого газа в атмосфере было гораздо больше, чем сейчас

Конец палеозойской эры (300-270 миллионов лет назад) отмечен переходом от долго длившегося и охватившего большую часть Земли оледенения к глобальному потеплению. За это время содержание СО2 в атмосфере, вначале примерно равное современному, возросло в 10 раз — причем безо всякого участия человека.

12.01 При недостатке растворенной органики морские бактерии подкармливаются солнечным светом

Способность к росту за счет энергии солнечного света (фототрофность) распространена в живой природе гораздо шире, чем считалось. Кроме зеленых растений и цианобактерий, а также известных ранее фототрофных бактерий питаться солнечным светом могут и многие другие микробы, обладающие особыми светочувствительными белками — протеородопсинами.
В избранное