Сотрудники Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) вместе с японскими и китайскими коллегами создали сверхчувствительный преобразователь механических колебаний наноразмерной системы в электрические.

В качестве детектора малых амплитуд наномеханического резонатора учёные использовали одноэлектронный транзистор. Созданное на его основе и уже работающее устройство — квантовая система с механической степенью свободы — представляет собой принципиально новый класс приборов.

Над проектом вместе с российскими специалистами трудились сотрудники лаборатории наноэлектроники корпорации NEC (Япония), Института передовых технологий РИКЕН (Япония) и Института микроэлектроники Университета Цинхуа (Китай).

Преобразователем колебаний в электрический сигнал послужил одноэлектронный транзистор. Этот прибор способен чувствовать самые малые изменения электрического заряда на нём — вплоть до элементарного заряда электрона. Одноэлектронный транзистор состоит из островка, на который попадает электрон, и соединённых с ним туннельными переходами двух контактов. Один из них — исток, с которого на островок может переходить единичный электрон, другой — сток, через него электрон уходит. Устройство снабжено так называемым боковым затвором — источником напряжения, запирающим или открывающим электрону переходы «исток — остров — сток». Вся конструкция выполнена на подложке из полупроводника, чаще всего кремния. При низких температурах его можно считать изолятором. Для регистрации отдельного электрона необходимо сделать островок достаточно маленьким (с малой ёмкостью), чтобы энергия, необходимая для перехода электрона на островок, была больше температуры системы.

В обычном одноэлектронном транзисторе эта конструкция базируется на полупроводниковой подложке и механической степенью свободы не обладает. Исследователи модифицировали способ изготовления устройства и смогли подвесить остров, буквально превратив его в мостик, который опирается только на контакты (исток и сток), лежащие на полупроводниковой подложке. Типичная длина мостика составляет 500 нм, ширина и толщина — от 30 до 40 нм.

Для создания подобных конструкций применяется технология трёхмерной литографии. Разработано несколько способов, позволяющих варьировать размеры и конфигурацию устройства, а значит, и его свойства. Например, меняя площадь контактов, можно получать другие туннельные характеристики перехода. Методом вакуумного напыления алюминия формируется мостик (или же островок, материал под которым затем «выбирается»). В результате окисления кислородом он покрывается тончайшей оксидной пленкой, на которую напыляются исток и сток. Такой контакт обеспечивает слабую связь и создаёт условия туннельного перехода. Но «подвешиванием» мостика изменение в конструкции одноэлектронного транзистора не ограничивается.

«Мы модифицировали метод изготовления прибора, сделав существенное дополнение: кроме обычного бокового затвора, расположенного в одном слое с транзистором, используется ещё один, нижний затвор, помещённый под мостик и отделённый от него вакуумным зазором, — рассказывает один из разработчиков устройства, научный сотрудник ФИАНа к. ф.-м. н. Дмитрий Князев. — Такая конфигурация в несколько раз увеличивает ёмкость связи, повышая чувствительность транзистора к механическим смещениям». Вот теперь это устройство можно использовать в качестве детектора механических колебаний.

Оригинальность идеи состоит в том, что наномеханическим резонатором, колебания которого детектирует одноэлектронный транзистор, стал служить структурный элемент самого транзистора.

Подвешенный островок одноэлектронного транзистора, ставший мостиком, обладает механической степенью свободы, имеет собственную частоту колебаний и служит «струной» (или «камертоном») резонатора. То есть этот прибор одновременно является и резонатором, и преобразователем механических колебаний в электрические.

Нижний затвор и мостик фактически представляют собой две обкладки конденсатора. Если приложить напряжение, возникнет притяжение или отталкивание, мостик будет прогнут или выгнут. За счёт изменения геометрии и расстояний между обкладками меняется и ёмкость системы. Приложенное к нижнему затвору переменное напряжение заставит систему колебаться и вызовет изменение наведённого электрического заряда на мостике. А это полезный сигнал, связанный с механическими колебаниями. Таким образом, подача переменного напряжения на нижний затвор позволяет определять резонансную частоту.

Так как заряд на мостике меняется, варьируется и ток, проходящий через одноэлектронный транзистор. Резонанс определяется по характеру зависимости измеряемого тока от частоты переменного сигнала. Дмитрий Князев поясняет: «Мы измеряем ток в зависимости от напряжения на боковом затворе и одновременно прикладываем переменное напряжение к нижнему. И медленно изменяем частоту. Система всегда колеблется, но колеблется на разной частоте. Вдали от резонанса мы видим просто отклик системы на вынуждающую колебательную силу. А когда частота вынужденных колебаний подходит к резонансу, на зависимости тока от частоты возникает характерная особенность». В этом случае даже самое слабое воздействие на систему будет заметно. Если масса мостика увеличится (к примеру, при попадании на него одной молекулы) — резонансная частота тоже резко изменится.

Разработка открывает абсолютно новый класс приборов, возможности которых могут быть использованы как в фундаментальных исследованиях, так и в области нанотехнологий. Устройство применимо в экспериментах, связанных с квантовыми измерениями, в электрометрии, метрологии. Сверхчувствительный масс-детектор, детектор отдельных молекул — уже работающий прибор.

«Есть так называемые нулевые колебания, — резюмирует заведующий отделом высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАНа д. ф.-м. н. Владимир Пудалов. — Они присущи каждой квантовой частице. При нулевой температуре у неё есть ненулевая энергия, это известный эффект. Обычно нулевые колебания наблюдают на ансамбле из огромного числа частиц — макрообъект, мезообъект. Интересно увидеть их на одной частице... Возможно, шаг к этому сделан. Ведь прибор, сам камертон, представляет собой квантовую систему, в которой существуют нулевые колебания. Конечно, это новый класс устройств, обладающих совершенно специфическими свойствами. Это начало целой большой области в технике сверхмалых измерений и изучении квантовых эффектов».