А вместо сердца – атомный мотор?
Для численного моделирования перемещения громадного количества атомов применяют, в большинстве случаев, способ молекулярной динамики. Действующие на любой атом силы определяются электронной структурой разглядываемой совокупности. В большинстве случаев употребляется адиабатическое приближение: предполагается, что при смещении атомов электроны мгновенно “подстраиваются” под новую ядерную конфигурацию.
Наряду с этим, в случае если совокупность изолирована от внешнего окружения, то ее энергия в ходе эволюции сохраняется, потому, что межатомные силы являются консервативными. А что будет, в случае если через совокупность потечет электрический ток?
Перемещение атомов при наличии тока именуют электромиграцией. Она представляет собой одну из главных неприятностей микроэлектроники, потому, что ведет к нарушению соединений между элементами интегральных схем. И эта неприятность будет лишь усугубляться по мере перехода с микро- на наноуровень.
(a) Модель, рассмотренная в работе [1]. Электрический ток течет по изогнутой цепочке атомов. Атом, расположенный в области изгиба, есть “динамическим” и при наличии тока движется по окружности диаметром около 0.005 нм.(b) Схематическое изображение туннельного контакта в отсутствие и при наличии на нем напряжения. mL и mR – химический потенциал в левом и правом электродах, соответственно. ( c ) Неравновесное заполнение электронами связывающих и антисвязывающих орбиталей приводит в конечном счете к перемещению атомов под действием постоянного тока
До недавнего времени не было однозначного ответа на вопрос, являются ли индуцированные током силы консервативными. В статье [1] ученые из Северной Ирландии представили формальное теоретическое подтверждение того, что они таковыми не являются. Данный вывод подтверждается данными компьютерного моделирования. В отличие от стандартных численных методов, в [1] учитывалась динамика отклика электронов на смещения атомов.
При наличии постоянного тока имеет место неравновесное заполнение электронных уровней, в следствии чего заряд на ядерных связях изменяется, теорема Гелмана-Фейнмана (о расчете межатомных сил методом сглаживания по заполненным электронами состояниям) перестает выполняться, и сила, действующая на атомы со стороны тока, делается неконсервативной, другими словами талантливой выполнять работу. Круговое перемещение одного атома (см. рис.) либо группы атомов приводит в итоге к передаче энергии от электронной системы к ядерной, увеличивая энергию последней.
Получается что-то типа “ядерного мотора”. Сейчас необходимо учесть в расчетах джоулев нагрев (не мешает ли он работе “мотора”?) и, само собой разумеется, постараться совершить соответствующие опыты.
Л. Опенов
- 1. D.Dundas et al., Nature Nanotech. 4, 99 (2009)