博文
[译转]欧姆定律在原子尺度依然成立
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From IEEE Spectrum：http://spectrum.ieee.org/semiconductors/nanotechnology/ohms-law-survives-at-the-atomic-scale
2012年1月5日：摩尔定律,一个已经被宣告消亡的定律，也许能再延喘一段时间。来自澳大利亚和美国的研究团队新近通过实验证实了这一点。他们的实验显示：电子工程中的奠基性定律——欧姆定律，在仅有4个原子宽的纳米导线中依然成立，而这一尺寸已经被预测将被量子效应的相关理论把持。
澳大利亚新南威尔士大学的Michelle Simmons和他的同事，以及美国印第安纳州的墨尔本大学和普渡大学的合作者，制造了一根具有较低阻抗的纳米线，其阻抗在这种原子尺度下仍然满足欧姆定律的预测。欧姆定律于1827年由德国物理学家Georg Ohm确立，其经典表述初中物理已经介绍。
该研究在本周星期五发表的Science杂志中有一个附带评论，亚利桑那州立大学David Ferry称这个发现‘Surprising’。科学家预测一些经典物理理论，例如欧姆定律在原子尺度下将会崩溃，‘经典世界的单个电子运动将会被量子波取代，而这些量子波将会产生非常奇异的特性’，David Ferry补充到。
Simmons和他的同事在硅上制造的纳米导线仅有一个原子高，4个原子宽（大约1.5 nm），106 nm长。他们使用扫描隧道显微镜将该导线排列在硅的表面，然后令硅晶体继续生长并将该导线掩埋，以保护其免遭从其他地方吸收的具有欧姆定律特性的自由电子的影响。
先前的实验表面在小于10 nm的宽度时，硅纳米导线的阻抗成指数增长（这与欧姆定律的线性关系不同）。通过对硅导线的大量掺杂磷原子，可以避免其阻抗呈线性增加，转而符合欧姆定律。
Simmons解释说，‘磷原子比硅原子多1个电子，释放出来的自由电子从而能使硅纳米线导电，在导线内部我们将磷原子间隔少于1 nm地放置，以便电子重叠的波函数造成类金属状态，以达到较低的阻抗’。
哥伦比亚大学的电子工程师John Kymissis对该实验印象深刻，‘该实验避免了所有的干扰，表面散射(surface scattering)和晶界(grain boundaries)’。研究者认为该发现将会使得摩尔定律继续保持下去。当今的高端芯片已经必须避免产生奇异的量子效应，当尺度继续缩小时更应该如此。硅芯片尺度缩小的主要挑战之一就是‘当前设计和材料无法消除的寄生阻抗产生的功率损耗’，而遵循欧姆定律的纳米导线应该会有帮助。
Simmons说该发现是在开发基于硅的尺度可缩放的量子计算机的过程中产生的。她的团队一直在研究量子计算机，量子比特(qubit)是由单个磷原子的自旋状态表达的。‘在悉尼，我们已经发现单个磷原子的电子自旋量子比特具有数秒的长生命期，我们就快要得到真正意义上的单原子器件，具有精确的控制和耦合电子自旋状态的器件’。
牛津大学的物理学家Steven Simon称这段纳米线为‘an impressive piece of technology’，然而他也谈到要制作多段具有相同阻抗的纳米线确很不容易，‘除非你可以精确地控制缺陷(磷原子)所处的位置，否则总是会产生一些完全不能导电的样品’。
当然，Simmons和她同事的实验并没有在标准的硅制造工艺上实现，然而他们最终可能会实现。
‘基本上，我们展示了在小到原子尺度下的掺杂硅导线能够表现出低阻抗’，Simmons说。也许现在不能制作它，谁能保证20年后不能造出来呢？
https://blog.sciencenet.cn/blog-667957-526600.html
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Image: Bent Weber
Atomic Bridge: The template for a 1.5-nanometer-wide nanowire
was made by pushing atoms around using a scanning tunneling microscope.
The resulting nanowire showed that Ohm's Law works even for wires just 4
atoms thick. Click on image to enlarge.
2012年1月5日：摩尔定律,一个已经被宣告消亡的定律，也许能再延喘一段时间。来自澳大利亚和美国的研究团队新近通过实验证实了这一点。他们的实验显示：电子工程中的奠基性定律——欧姆定律，在仅有4个原子宽的纳米导线中依然成立，而这一尺寸已经被预测将被量子效应的相关理论把持。
澳大利亚新南威尔士大学的Michelle Simmons和他的同事，以及美国印第安纳州的墨尔本大学和普渡大学的合作者，制造了一根具有较低阻抗的纳米线，其阻抗在这种原子尺度下仍然满足欧姆定律的预测。欧姆定律于1827年由德国物理学家Georg Ohm确立，其经典表述初中物理已经介绍。
该研究在本周星期五发表的Science杂志中有一个附带评论，亚利桑那州立大学David Ferry称这个发现‘Surprising’。科学家预测一些经典物理理论，例如欧姆定律在原子尺度下将会崩溃，‘经典世界的单个电子运动将会被量子波取代，而这些量子波将会产生非常奇异的特性’，David Ferry补充到。
Simmons和他的同事在硅上制造的纳米导线仅有一个原子高，4个原子宽（大约1.5 nm），106 nm长。他们使用扫描隧道显微镜将该导线排列在硅的表面，然后令硅晶体继续生长并将该导线掩埋，以保护其免遭从其他地方吸收的具有欧姆定律特性的自由电子的影响。
先前的实验表面在小于10 nm的宽度时，硅纳米导线的阻抗成指数增长（这与欧姆定律的线性关系不同）。通过对硅导线的大量掺杂磷原子，可以避免其阻抗呈线性增加，转而符合欧姆定律。
Simmons解释说，‘磷原子比硅原子多1个电子，释放出来的自由电子从而能使硅纳米线导电，在导线内部我们将磷原子间隔少于1 nm地放置，以便电子重叠的波函数造成类金属状态，以达到较低的阻抗’。
哥伦比亚大学的电子工程师John Kymissis对该实验印象深刻，‘该实验避免了所有的干扰，表面散射(surface scattering)和晶界(grain boundaries)’。研究者认为该发现将会使得摩尔定律继续保持下去。当今的高端芯片已经必须避免产生奇异的量子效应，当尺度继续缩小时更应该如此。硅芯片尺度缩小的主要挑战之一就是‘当前设计和材料无法消除的寄生阻抗产生的功率损耗’，而遵循欧姆定律的纳米导线应该会有帮助。
Simmons说该发现是在开发基于硅的尺度可缩放的量子计算机的过程中产生的。她的团队一直在研究量子计算机，量子比特(qubit)是由单个磷原子的自旋状态表达的。‘在悉尼，我们已经发现单个磷原子的电子自旋量子比特具有数秒的长生命期，我们就快要得到真正意义上的单原子器件，具有精确的控制和耦合电子自旋状态的器件’。
牛津大学的物理学家Steven Simon称这段纳米线为‘an impressive piece of technology’，然而他也谈到要制作多段具有相同阻抗的纳米线确很不容易，‘除非你可以精确地控制缺陷(磷原子)所处的位置，否则总是会产生一些完全不能导电的样品’。
当然，Simmons和她同事的实验并没有在标准的硅制造工艺上实现，然而他们最终可能会实现。
‘基本上，我们展示了在小到原子尺度下的掺杂硅导线能够表现出低阻抗’，Simmons说。也许现在不能制作它，谁能保证20年后不能造出来呢？
About the Author
Saswato R. Das, a New York City–based writer, contributes frequently to IEEE Spectrum. In September 2011 he reported on advances that could bring us closer to practical quantum computing.
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