Орчин үеийн электроникийн хөгжилд тулгарч буй хамгийн том сорилтуудын нэг бол электрон төхөөрөмжийн шуугиан юм. Ялангуяа бага давтамжийн фликер (flicker) шуугиан (1/f) нь холбооны системийн фазын тогтвортой байдлыг алдагдуулах, сенсорын мэдрэх чадварыг бууруулах, квант төхөөрөмжүүдийн когерент шинж чанарыг сулруулдаг. Иймээс хэт бага шуугиантай шинэ материал, механизмыг олох нь шинжлэх ухаан, инженерчлэлийн чухал зорилт хэвээр байна.

Энэ хүрээнд Калифорнийн Их Сургуулийн (UCLA) профессор Александр А. Баландин тэргүүтэй олон улсын судалгааны баг томоохон нээлт хийжээ. Тэд "цэнэгийн нягтын долгион" (Charge Density Wave, CDW) бүхий квази-нэг хэмжээст материалаар хийсэн нано утаснуудаар электроны шуугианыг урьд өмнө байгаагүй түвшинд бууруулсан байна. Эдгээр системд электронууд бие даан бус, харин хүчтэй хамааралтай төлөвт шилжиж, кристалл торны дефекттэй уялдан когерент хөдөлгөөн үүсгэдэг нь уламжлалт дамжуулалтаас эрс ялгаатай юм.

Энгийн металлд гүйдэл нь электронуудын санамсаргүй, дулааны хөдөлгөөнтэй тулгардаг учраас тодорхой хэмжээний шуугиан зайлшгүй үүсдэг. Харин CDW системд электронууд кристалл торны дефекттэй уялдан тунамал төлөв үүсгэж, хамтын хөдөлгөөн хийдэг нь шуугианыг эрс бууруулах боломжийг олгодог.

Идеал нэг хэмжээст системд CDW нь онолын хувьд алдагдалгүйгээр сарниж (Фрёлихийн гүйдэл) чадна гэж үздэг. Гэвч бодит материалд дефект, хольц, гадаргуугийн төгс бус байдлаас шалтгаалан CDW нь “түгжигдэж”, зөвхөн электроны босго хүчдэлийг давж гарсны дараа л хөдөлгөөнд ордог.

Судалгааны үр дүнг 2025 оны 12-р сарын 31-нд *Nature Communications* сэтгүүлд нийтэлсэн байна.

Судалгаанд квази нэг хэмжээст шинж чанартай дараах CDW материалуудыг нано утас хэлбэрт (диаметр 50–100 нм, урт 2–12 мкм) оруулан туршин:

• (TaSe₄)₂I — CDW фаз руу харьцангуй бага температурт ( ≈246K) шилждэг, Ферми гадаргуу бүрэн хаагдсан, Вейлийн хагас металл материал.
• NbS₃-II — өрөөний температурт ч CDW төлөв хадгалдаг, гурван төрлийн CDW фазыг харуулдаг материал.

Зураг 1. Синтезлэсэн (TaSe₄)₂I-ийн SEM болон EDS зураг. EDS зурагт Ta, Se, I элементүүдийг тус тус нил ягаан, ягаан, ногоон өнгөөр харуулав. Хэмжээс нь 50 мкм. Зургууд дахь электроны цагаан өнгө нь өндөр, хар өнгө нь бага цацаргалттай тохирч байна.

Эдгээр нано утас дээр нам давтамжийн электроны шуугианыг өндөр нарийвчлалтайгаар хэмжсэн нь дараах чухал үр дүнгүүдийг харуулсан:

Туршилтын гол үр дүнгүүд :

• CDW конденсат гүйдэл давамгайлж эхлэхэд (босго хүчдэлээс дээш) электроны шуугиан ердийн металл дамжуулагчийн дулааны шуугианы хязгаараас мэдэгдэхүйц доош буурсан. Энэ нь өмнө нь ажиглагдаагүй шинэ үзэгдэл юм.
• Шуугианы спектр нягт нь гүйдэл I-тэй урвуу хамааралтай  болох нь тогтоогдсон. Энгийн дамжуулагчид, шуугианы түвшин гүйдлээс хамаарахгүй тогтмол байдаг бол энэхүү урвуу хамаарал нь онолын хувьд шинэлэг юм.
• (TaSe₄)₂I материалд шуугианы доод хязгаар огт ажиглагдаагүй, гүйдэл өсөх тусам шуугиан тасралтгүй буурсаар байв. Энэ нь Фрёлихийн конденсат хөдөлгөөн нь өөрөө ямар ч шуугиан үүсгэдэггүй, харин ажиглагдаж буй бага зэргийн шуугиан нь материалын дефектээс (босго хүчдэлийн хэлбэлзэл) үүсдэг гэдгийг харуулна.
• NbS₃-II материалд ч мөн адил шуугиан буурах үзэгдэл ажиглагдсан боловч маш өндөр гүйдэлд шуугианы түвшин тодорхой хязгаарт хүрч тогтворжсон. Энэ нь CDW конденсатын "дотоод" шуугианыг харуулж байгаа бөгөөд хоёр материалын шинж чанарын ялгааг тодорхойлж байна.

 (TaSe₄)₂I материалд CDW конденсатын өөрийн шуугиан маш бага буюу бараг илрэхгүй түвшинд байгаа нь тогтоогдсон. Энэ нь Фрёлихийн конденсат нь онолын таамаглалтай адил маш бага шуугиантай, "чимээгүй" цэнэгийн урсгал үүсгэдгийг баталлаа.

Эдгээр үр дүн нь CDW систем дэх электронуудын хамтын хөдөлгөөн нь шуугианыг бууруулах шинэ механизм болохыг баталж байна. Энгийн металлд электронууд тархмал, санамсаргүй хөдөлгөөнтэй байдаг бол CDW-д фазын хувьд уялдсан нэгдмэл урсгал үүсдэг. Энэхүү нээлт нь онолын сонирхолтой үзэгдэл төдийгүй практик хэрэглээнд шууд хэрэглэгдэх боломжтой юм.

Практик хэрэглээнд :

• Квант тооцоолол: Квант битүүдийн (qubit) уялдаа холбоог алдагдуулдаг гол хүчин зүйл нь цахилгаан шуугиан юм. Шуугиангүй CDW материал нь квант процессоруудын тогтвортой байдал, тооцоолох чадварыг эрс нэмэгдүүлэх боломжтой.
• Өндөр мэдрэмжтэй сенсор: Шуугиан бага байх тусам сенсорын мэдрэх байдал өндөр болно. Энэхүү технологи нь био-молекул илрүүлэгч, гравитацийн долгион бүртгэгч, цаг уурын нарийн сенсор зэрэг шинэ төрлийн өндөр мэдрэмжтэй төхөөрөмжүүдийг бүтээхэд тусална.
• Ирээдүйн электроник: Судалгааны багийнхан CDW нано утасны шуугианы түвшинг орчин үеийн хамгийн дэвшилтэт цахиурын транзистортой (MOSFET) харьцуулахад, энгийн лабораторийн нөхцөлд хийсэн эдгээр нано утаснууд зах зээлд нийлүүлэгдэж буй транзисторуудаас ч нам шуугиантай байгааг тогтоожээ. Тодруулбал, (TaSe₄)₂I нано утасны шуугианы түвшин байсан бол MOSFET-ийн шуугианы түвшин   байна.

Судалгааны багийн ахлагч, профессор Александр А.Баландин: "Бид Фрёлихийн тунамалын гулсах хөдөлгөөн нь ердийн электронуудын хөдөлгөөнөөс хамаагүй нам шуугиантай болохыг нотоллоо. (TaSe₄)₂I материалд шуугианы доод хязгаар огт илрээгүй нь онцгой ач холбогдолтой. Бидний боловсруулсан онол нь шуугианы гурван эх үүсвэрийг тодорхойлж, түүний дотроос материалын дефект нь ажиглагдаж буй шуугианы гол шалтгаан болохыг харуулсан. Энэхүү нээлт ирээдүйд квант электроник төхөөрөмж, өндөр мэдрэмжтэй сенсор зэрэг чиглэлд хувьсгал авчрах болно" гэж онцолсон байна.