Создана наносистема, взаимодействующая с отдельными электронами, но не требующая электрического тока

Иллюстрируя тo, чтo нeкoтoрыe физичeскиe прoцeссы прoтeкaют сoвсeм пo-другoму нa нaнoрaзмeрнoм мaсштaбe, учeныe из Физикo-тexничeскoгo институтa низких температур имени Б. И. Веркина Национальной Академии Наук Украины, Харьков, и Технологического университета Чалмерса, Швеция, создали удивительную наноэлектромеханическую систему. Элементы этой системы совершают механические движения за счет взаимодействия между электронами, но, в отличие от других подобных систем, для этого не требуется протекания электрического тока. Взаимодействия электрон-электрон в данной системе возникают между двумя «электронными» емкостями, имеющими различную температуру, а активный элемент системы — углеродная нанотрубка, начинает колебаться под воздействием протекающего через нее теплового потока.

«Микроскопические устройства, которые являются комбинацией электроники и крошечной механики, микроэлектромеханические системы, MEMS (microelectromechanical systems), используются в настоящее время достаточно широко» — пишут исследователи, — «Датчики в наших смартфонах, которые определяют ускорение и ориентацию, являются этому хорошими примерами. Дальнейшее развитие данных технологий должно привести к замене микроэлементов наноэлементами и наша работа лежит именно в этой области, мы разрабатываем, моделируем и изучаем самые разные наноэлектромеханические устройства».

Механизм, который заставляет работать новую наноэлектромеханическую систему, коренным образом отличается от механизма работы подобных систем, использующих электрический ток. Система состоит из углеродной нанотрубки, прикрепленной концами к двум электродам. Собственно каждый электрод состоит из двух частей, на стыке которых крепится конец углеродной нанотрубки. Часть электрода ниже нанотрубки действует как один электронный резервуар, а верхняя часть — как второй резервуар. Электроны, содержащиеся в обоих резервуарах, могут свободно перемещаться на нанотрубку и назад за счет эффекта квантового туннелирования. Однако, за счет использования специальных материалов, электроны в разных резервуарах имеют разное направление их вращения, спин, поэтому электрон из одного резервуара не может попасть во второй, что исключает любую возможность переноса электрического заряда.

Все начинает становиться интересным, когда между электронными резервуарами возникает температурный градиент. Когда «горячие» электроны из одного резервуара встречаются в нанотрубке с «холодными» электронами из второго резервуара, они начинают взаимодействовать, передавая тепло. Бывшие «холодные» электроны, получившие часть тепловой энергии, возвращаются в свой резервуар, а бывшие «горячие» — в свой.

Протекающий за счет такого необычного механизма тепловой поток вынуждает деформироваться углеродную нанотрубку. При этом возникает своего рода обратная связь, деформация нанотрубки увеличивает эффективность туннелирования электронов в один из резервуаров и уменьшает эффективность туннелирования в другой. Именно за счет этой «обратной связи» возникают колебания нанотрубки, амплитуду и частоту которым можно регулировать, изменяя температурный градиент между электронными резервуарами.

Данная система представляет собой простой наноразмерный тепловой двигатель, выполняющий функцию преобразования тепловой энергии в механическое движение. Удивительно то, что эффективность работы этого двигателя очень мало, всего на несколько процентов, зависит от величины температурного градиента, исследователи полагают, что основным ограничением производительности наноразмерного теплового двигателя является его геометрия и особенности структуры.

«Если рассматривать такие тепловые двигатели в контексте какого-либо электронного устройства, то можно сразу увидеть массу областей их применения» — пишут исследователи, — «Тепло всегда присутствует в электронных схемах как побочный продукт, и если у нас получится использовать его часть с пользой, скажем для приведения в действие наноразмерных устройств, мы получим более эффективную и более функциональную электронику».