Физики придумали одноэлектронный холодильник
|
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
