Рефераты. Апрель 2025 №4

Управление молнией

Для того чтобы что-то изучать, желательно иметь объект именно там, где есть приборы для изучения, и именно в тот момент, когда они готовы к работе. Но бывают ситуации, когда это обеспечить сложно или невозможно. Поэтому зоологи для изучения диких животных устанавливают фотоловушки. А физики для исследования молний запускают ракеты с длинным проволочным хвостом, который провоцирует электрический разряд. Однако этот метод имеет существенный недостаток — изменяется механизм инициирования молнии. У такой искусственной молнии урезана стадия лидера — формирования проводящего канала. Как правило, мы наблюдаем лидер в виде ветвящегося светового «дерева», растущего преимущественно сверху вниз. И уже затем по его ионизованному следу протекает основной, значительно более яркий и быстрый импульс тока. Чтобы вызвать обычную молнию, можно было бы попробовать передать заряд дождевому облаку, нейтральному или же накопившему заряд, недостаточный для возникновения лидера.

Учёные Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и МГТУ им. Н. Э. Баумана предложили для инициирования молнии в нужном месте и в нужное время направлять на дождевое облако поток протонов высокой энергии. Из построенной ими модели распространения протонного пучка в атмосфере, отклонения его полем облака и пространственным зарядом, а также поглощения его облаком следует, что такой механизм будет работать. Параметры облака и ускорителя требуются разумные. Так, у облака на высоте 500 м размер должен быть не менее 180 м, а энергия протонов — 400 МэВ (при этом их пробег в атмосфере 700 м), ток пучка — 0,1 А, время облучения — 20 с. Причём такое облачко с нужным содержанием воды (около 52 тонн) может быть даже создано искусственно.

Авторы отмечают, что энергия протонов в мощных линейных ускорителях достигает 1 ГэВ, а их пробег в атмосфере составляет 3 км, что совпадает со средней длиной канала молнии.

Горев В. В., Смыслов Д. Ю. Моделирование электрических атмосферных разрядов высокой мощности с помощью ускорителей протонов средних энергий. ЖТФ, 2024, вып. 10, с. 1720.

Нестехиометрия для рекорда

Высокотемпературные сверхпроводники получают, выращивая слой химического соединения семейства (RE)Ba₂Cu₃O_7-x (RE — редкоземельный элемент) на буферном слое (например, ZrO₂), покрывающем гибкую металлическую подложку. Во многих случаях, причём в самых интересных и важных, применение сверхпроводников связано с пропусканием по ним большого тока. Однако сверхпроводимость разрушается в больших магнитных полях, а когда по проводу пропускают ток, как раз и возникает магнитное поле. Ток, при котором сверхпроводимость исчезает, называется критическим, и его величина зависит от химического состава сверхпроводника. Наибольшие значения критического тока достигаются, если в качестве редкоземельного элемента используется иттрий (Y). Дальнейшее увеличение предельного тока можно обеспечить введением в материал частичек, не обладающих сверхпроводимостью. Вокруг этих частичек циркулируют вихри тока (вихри Абрикосова), а сами частички называют центрами пиннинга (закрепления). Один из способов создать такие частички в глубине сверхпроводника — изменить состав материала, немного отклонившись от стандартных пропорций Y, Ba и Cu (стехиометрии). Как это влияет на параметры полученного материала, пока мало изучено. Считается, что избыток бария влияет плохо, по меди данные противоречивы, избыток иттрия приводит к появлению частиц Y₂O₃, которые становятся центрами пиннинга. Критический ток увеличивается и при образовании частиц Y₂BaCuO₅.

Физики из Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и АО «ВНИИНМ» им. академика А. А. Бочвара начали работы в этом направлении и изучили три материала. Первый — YBa_1,8Cu₃O_7-x, второй — он же с добавкой Y₂O₃, третий — YBa₂Cu₃O_7-x с добавкой Y₂BaCuO₅. Критический ток оказался зависящим от конфигурации поля и температуры, но полученные рекордные данные по его величине оказались на уровне лучших опубликованных. При ширине проводника 4 мм и толщине сверхпроводника 1,4—1,6 мкм, при температуре 4,2 К ток достигал 1050—1400 A, при 40 K — 170—220 A.

Гурьев В. В. и др. Контролируемое отклонение состава от стехиометрии в высокотемпературных сверхпроводниках для повышения критического тока в сильных магнитных полях. ФТТ, 2024, вып. 12, с. 2082.

Транзистор на графене

Высокая подвижность электронов в графене указывает на возможность его применения в качестве токонесущего слоя в полевых транзисторах. Затвор, напряжение на котором управляет током из истока в сток, должен быть отделён от токонесущего слоя изолятором.

Изучаемая гетероструктура — прототип транзистора (схематично). Плёнка графена — токонесущий канал, фторид кальция — подзатворный диэлектрик. Рисунок из реферируемой статьи. 

Исследователи из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) и Технического университета Вены (Австрия) сделали изолятор из нетрадиционного материала — фторида кальция. Его достоинства как изолятора — широкая запрещённая зона (12,1 эВ) и высокая электропрочность (более 10⁷ В/см), технологическое преимущество — близость постоянных решётки CaF₂ и Si, допускающая эпитаксию, то есть выращивание слоя фторида кальция на кремнии. Сочетание графена и CaF₂ в данной сфере используется практически впервые; ранее вместо графена применяли MoS₂, а для изолятора — оксидные диэлектрики (SiO₂, Al₂O₃) или hBN.

Авторы разработали технологию, изготовили более ста прототипов транзисторов и детально исследовали параметры всех образцов (без отбраковки). Размеры графенового канала варьировали от 160 x 100 мкм до 9 x 3 мкм. Ток исток-сток эффективно управлялся потенциалом затвора, утечки в цепи затвора были на несколько порядков меньше тока стока. Полученный разброс тока (до 5 раз, у четверти лучших приборов — 20%) можно считать удовлетворительным, поскольку какая-либо оптимизация технологии не проводилась. Авторы обращают внимание на возможное применение CaF₂ и в полупроводниковых приборах других типов. Дальнейшие улучшения могут быть связаны со снижением неоднородности толщины фторида по площади, а также с использованием фторидов Ca_1-xMg_xF₂.

Векслер М. И. и др. Воспроизводимость электрофизических характеристик транзисторных структур на основе гетеросистемы графен-CaF₂-Si(111). Физика и техника полупроводников, 2024, вып. 5, с. 272.