Создано новое микроэлектронное устройство — тепловой транзистор

Автор: Игорь Иванов
Финские и итальянские физики научились регулировать мощность микроскопического электронного холодильника, в котором постоянный ток переносит также и тепло. Это большой шаг вперед в одноэлектронике.
Вся современная вычислительная техника обязана своим существованием тому простому факту, что отдельные микроэлектронные компоненты могут динамически управлять друг другом. Ключевым элементом в микросхемах является транзистор — микроэлектронный компонент с тремя внешними «ножками», в котором протекание тока от первой ножки ко второй легко регулируется, вплоть до полного выключения, с помощью напряжения, подаваемого на третью ножку.
Электронные свойства микроэлектронных компонентов зависят также и от температуры. Это открывает новую возможность в микроэлектронике — управлять поведением отдельных микроэлектронных компонентов путем изменения их локальной температуры. Первым шагом на этом пути является создание устройств, нагревающих или охлаждающих заданный микроэлектронный компонент. Этот нагрев и охлаждение желательно тоже осуществить электронным способом, сделав таким образом циркуляцию тепла и циркуляцию электрического тока взаимно контролируемыми.
Экспериментальная работа в этом направлении началась в конце прошлого века, когда были созданы микроскопические (размером в доли микрона!) электронные холодильники и термометры. Эти устройства работают за счет того, что в определенных условиях поток электронов переносит не только заряд, но и тепло. Особенно интересные эффекты получаются при очень низких температурах, ниже 1 кельвина. При таких температурах наряду с металлами, полупроводниками и изоляторами можно использовать и сверхпроводники. Кроме того, в этом случае достижим новый, дискретный режим работы микроэлектронных устройств — одноэлектроника. Это направление активно развивается и сейчас; см. например новость Физики придумали одноэлектронный холодильник.
На днях в журнале Physical Review Letters появилась статья исследователей из Финляндии и Италии, в которой сделан еще один шаг на этом пути. Авторы этой работы приделали «регулятор мощности» к электронному холодильнику и получили таким образом совершенно новое термоэлектронное устройство — тепловой транзистор.
Как и в обычном транзисторе, в нём между двумя «ножками» тоже течет ток, но в этом случае он еще сопровождается и направленной передачей тепла. Авторы новой работы научились контролировать этот поток тепла, подсоединив к холодильнику еще один контакт и подавая на него напряжение. Тепловой поток при этом изменялся примерно в три раза. Полученный результат можно считать большим шагом вперед: ведь раньше поток тепла в такого типа устройствах вообще не умели изменять.
Вероятно, следующим шагом будет создание более совершенных тепловых транзисторов, способных не только уменьшать, но и при необходимости включать и выключать тепловой поток. Кроме того, в описанной работе использовался холодильник на постоянном токе, но, возможно, аналогичную схему можно будет применить и для одноэлектронного холодильника, работающего на переменном токе (а фактически, на одном-двух электронах, прыгающих с металла на сверхпроводник и обратно; подробности см. в новости Физики придумали одноэлектронный холодильник). После этого можно уже думать и о создании сложных микросхем, в которых будут взаимосвязанным образом циркулировать как электрический заряд, так и тепло.

Источник: O.-P. Saira et al. Heat Transistor: Demonstration of Gate-Controlled Electronic Refrigeration // Physical Review Letters, 99, 027203 (9 июля 2007 года).
Статья доступна также в архиве е-принтов: cond-mat/0702361.