Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Не только графен как устроены квантовые материалы

Бурное развитие квантовых вычислений неотделимо от изучения квантовых свойств материалов. Именно материалы являются ключом к победе над декогеренцией главным препятствием на пути создания эффективного квантового компьютера. Какие материалы называются квантовыми и какое еще применение можно для них найти, ПостНауке рассказал физик Иван Иорш.Это материал изгида Квантовыетехнологии. Партнер гидаАкадемияРосатома.Когда материалы становятся квантовымиXX век можно по праву назвать веком квантовой революции: открытие квантовой механики, изучение ее законов и детальное исследование квантовых явлений значительно продвинуло науку вперед. К примеру, квантовые подходы, в отличие от подходов классической физики, позволили полностью решить проблему описания излучения черного тела, разработать теорию атома водорода, объяснить корпускулярно-волновой дуализм.На сегодняшний день так называемые квантовые материалы стали одним из наиболее перспективных направлений, поскольку с их изучением связано развитие квантовых вычислений, защищенных от потери когерентности частиц. Так как эта отрасль современной науки относительно молода, единого четкого определения, что же такое квантовый материал и в чем его отличие от других веществ, пока не дано. В конце XIX начале XX века, когда квантовой механики еще не существовало, все физические явления описывались посредством классической физики. Но ряд нерешенных проблем подтолкнул ученых к развитию принципиально нового, квантового подхода, который бы объяснил физические явления в микросистемах (например, планетарная модель атома, предложенная Нильсом Бором в 1913 году, в которой электрон не подчинялся правилам классической физики).Согласно современным представлениям, квантовая теория наиболее полно описывает явления окружающего мира, а значит, все материалы и их взаимодействия имеют квантовую природу. В макроскопических масштабах их можно описать классическими законами, но для микросистем без квантового подхода уже не обойтись. Тем не менее существует ряд материалов, для которых квантовые свойства сохраняются от микроскопического масштаба до макроскопического, и классический подход для них никак не применим. Таким образом, квантовыми материалами можно называть те вещества, у которых квантовые свойства сохраняются или проявляются в макроскопических масштабах.Сверхтекучесть и сверхпроводникиОдним из самых первых и наиболее известных примеров квантового материала являются сверхпроводники1. В 1911 году Камерлинг-Оннес в ходе экспериментов с охлажденной до 4 кельвинов1 ртутью обнаружил, что в подобных условиях электрическое сопротивление ртути падает до нуля. Такое состояние вещества получило название сверхпроводящего, а само вещество стали называть сверхпроводником. Сверхпроводящие вещества обладают еще одним интересным свойством: они вытесняют магнитное поле из своего объема это явление получило название эффект Мейснера.В настоящее время известно огромное количество материалов, которые становятся сверхпроводниками при определенных условиях: низких температурах или огромном давлении (примерно 2 миллиона атмосфер). Наибольший интерес вызывают так называемые высокотемпературные сверхпроводники, обретающие свои свойства при сравнительно высоких температурах всего-то чуть меньше -200 С. К сожалению, многие из них являются керамиками (смешанными оскидами), что технологически затрудняет их использование.2Спустя четверть века после экспериментов Камерлинга-Оннеса было открыто еще одно явление схожей природы сверхтекучесть. В 1937 году Петр Капица обнаружил, что жидкий гелий беспрепятственно вытекает из емкости по стенкам, даже если они гораздо выше уровня жидкости, а также просачивается через микрощели без трения. Практического применения сверхтекучесть пока не имеет в силу дороговизны материалов и сложности условий достижения этого состояния, но изучение таких явлений имеет ценность в фундаментальном плане, так что сверхтекучие жидкости все еще представляют интерес для исследователей.Король квантовых материалов CnВ последние 15 лет внимание многих исследователей приковано кграфену одной из аллотропных модификаций углерода. Обладая структурой полупроводника, он хорошо проводит электрический ток, имеет высокую теплопроводность и прочность. Важнейшим свойством графена является то, что электроны в нем ведут себя похоже на ультрарелятивистские частицы частицы со скоростями, близкими к скоростям света. Одним из следствий этого является тот факт, что поглощение света в графене в диапазоне частот от терагерц до ультрафиолета практически не зависит от частоты и равно произведению числа пи, квадрата заряда электрона, поделенного на скорость света и постоянную Планка.А в сильных магнитных полях в данном веществе сначала был теоретически предсказан, а затем и подтвержден экспериментально в 2005 году так называемый квантовый эффект Холла.Графен можно создать несколькими способами, например с помощью природного графита. Суть метода заключается в том, что тонкие слои графита помещают между специальными липкими лентами, а далее последовательно отщепляют пленки графита до получения достаточно тонкого слоя. После отшелушивания скотч с тонкими пленками графита и графена прижимают к подложке окисленного кремния. Полученный подобным образом графен называют эксфолиированным.Другой способ метод молекулярно-пучковой эпитаксии, который в условиях сверхвысокоговакуума позволяет выращиватьструктурызаданной толщины. На подложку специальной вакуумной камеры осаждаются атомы углерода, буквально один за одним, в дальнейшем они самоорганизуются в лист графена. В металлоорганическом осаждении в камеру запускаются пары разных элементов, происходит химическая реакция, и на поверхности образуется графен. Но, к сожалению, в отличие от предыдущего способа получения графена, здесь образец получается гораздо хуже по качеству и потому технологически непригоден для использования в электронике. То есть можно сказать, что для изучения квантовых эффектов эксфолиированный графен гораздо более пригоден, чем тот, что получен в эпитаксиальных камерах.Стоит отметить, что если мы полагаем графен квантовым материалом, то, вполне возможно, подобным материалом окажется и графит, ведь графит представляет собой массив из слоев графена, уложенных друг на друга.Таким образом, зачастую эффекты, связанные с макроскопическими квантовыми свойствами, проявляются именно в каких-либо определенных условиях, будь то достижение достаточно низких температур, достаточно сильное давление или же интенсивное магнитное поле. Следовательно, класс природных материалов, которые так или иначе можно назвать квантовыми, будет лишь пополняться с дальнейшим экспериментальным и теоретическим развитием физики.Топологические изоляторыЕще одним хорошо известным примером квантовых материалов, которые сейчас активно исследуются, является топологический изолятор. На сегодняшний день известно более 20соединений, которые являются топологическими изоляторами: теллурид иселенид висмута, теллурид кадмия, теллурид ртути и другие. Кстати, в отличие от графена, теллурид висмута удается довольно хорошо наращивать при помощи эпитаксиальных камер. Топологический изолятор представляет собой материал, который внутри является диэлектриком, то есть не проводит электрический ток, однако наего поверхности существуют так называемые краевые состояния, способные проводить ток. Причемсуществование этих краевых состояний несвязано скакими-либо специальными условиями на границе материала.В краевых состояниях топологических изоляторов был обнаружен ряд специфических свойств, которые сегодня вызывают огромный интерес ученых. Возможно, необычные свойства краевых состояний в будущем удастся использовать для создания электронных схем сминимальными теплопотерями или даже квантовых компьютеров.Квантовый эффект ХоллаТо, что в помещенном в магнитное поле проводнике возникает разность потенциалов в направлении, перпендикулярном току, было известно еще с конца XIX века это так называемый эффект Холла. Он легко объяснялся в рамках классической физики как возникновение силы Лоренца, действующей на заряды, движущиеся в проводнике.И вот спустя век научной группой Клауса фон Клитцинга был обнаружен сходный по проявлению, но более сложный с теоретической точки зрения квантовый эффект Холла. Он заключается в том, что при низких температурах и в сильных полях происходит квантование сопротивления или проводимости в двумерных слоистых структурах.Исследователи прошлого века заметили, что на стыке слоев различных веществ возникают интересные эффекты. Так, в достаточно плоских многослойных структурах электроны ведут себя как двумерный газ, то есть ограниченный на плоскости. И тогда в направлении, перпендикулярном этой плоскости, начинают проявляться квантовые эффекты, например ступенчатая зависимость проводимости от магнитного поля. При этом высота этой ступеньки с очень высокой точностью равна целому числу, умноженному на отношение квадрата заряда электрона на постоянную Планка, с настолько высокой точностью, что эта константа является мировым стандартом электрического сопротивления и используется для калибровки измерительных приборов. Притом что конкретный материал может быть разный, в нем может присутствовать множество дефектов, константа остается неизменной.
Будущее за квантовыми материаламиВ современном мире с каждым годом квантовые технологии становятся все более востребованы в самых различных областях. Сверхпроводники играют заметную роль в этом развитии: на сегодняшний день они находят применение и в создании одной из самых востребованных технологий квантового компьютера и в других сферах. Так, в настоящее время остро стоит вопрос минимизации потерь энергии. В частности, для экономии энергии при прохождении электрического тока по проводам и вообще всегда, когда речь идет об электроприборах и линиях передач, необходимо как можно сильнее уменьшить потери, происходящие за счет расхода энергии на нагрев проводника. Для этого в первую очередь необходимы проводники с минимальным сопротивлением следовательно, сверхпроводящие материалы, вообще лишенные сопротивления, играют в таких технологиях решающую роль.Сегодня лаборатория Низкоразмерные квантовые материалы ИТМО занимается созданием двумерных материалов дихалькогенидов переходных металлов. Это двумерные сульфиды, селениды, они похожи на графен, их толщина от одного до трех атомных слоев. Важно, что, в отличие от графена, это прямозонные полупроводники. То есть они как арсенид галлия, у них частота запрещенной зоны 1,5 электронвольта, они прекрасно взаимодействуют со светом, им свойственны нелинейно-оптические эффекты, и на их основе изучают нелинейно-оптические эффекты, магнето-оптические эффекты. Есть материал толщиной в 1 атом, который может поглощать 30% проходящего света. Такие устройства обязательно найдут свое применение в гибкой электронике и оптоэлектронике, а также при создании нанолазеров и других оптических элементов.Не менее важное применение находят сверхпроводящие материалы и в медицине, а именно во всем нам известных аппаратах МРТ. С момента своего появления магнитно-резонансная томография стала главным методом бесконтактной диагностики болезней мозга, а также мышечной ткани и скелета. Обмотка сверхпроводящего магнита, используемого в МР-томографах, состоит из нескольких слоев медной ленты со сверхпроводником. В большинстве конструкций томографов, эксплуатируемых в настоящее время, сверхпроводящий магнит охлаждается жидким гелием до температуры около 4,2 кельвина. Данный метод абсолютно безопасен для здоровья и позволяет получить наиболее точное изображение (по сравнению, например, с рентгенографией).Сверхпроводники так же, как и топологические изоляторы и графен, становятся обыденностью в мире микроэлектроники и сверхчувствительных сенсоров, которые позволят существенно повысить точность и разрешение проводимых измерений: в медицине, производстве, астрономии и естественных науках.Также эти материалы окажутся незаменимы в вычислительных технологиях ближайшего будущего квантовых компьютерах и устройствах на основе спинтроники. Но исследователям предстоит проделать большую работу теоретическую, экспериментальную и технологически оптимизационную, прежде чем квантовые материалы станут частью нашей повседневной жизни.
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 17.12.2020 12:07:56
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, umnikizdes.ru