XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ВВЕДЕНИЕ

Термин «Нанотехнология» была впервые признана после того, как Ричард Фейнман представил свое выступление под названием “Внизу много места” Американскому Физическому обществу в 1959 году, когда обсуждался меняющийся характер области физики. В своей лекции Фейнман рассмотрел возможности прямого манипулирования отдельными атомами, проектирования микроскопов с атомистическим разрешением и создания наноразмерных машин [1]. Его выступление было дальновидным и породило множество идей, которые можно классифицировать как нанотехнологии, хотя сам термин стал использоваться 20 лет спустя.

Нанотехнология позволяет осуществлять манипуляции отдельными квантовыми состояниями атомов и молекул. Технологию манипулирования отдельными квантовыми состояниями можно назвать “квантовой нанотехнологией”. квантовая нанотехнология отличается от нанотехнологии так же, как квантовый компьютер отличается от классического молекулярного компьютера.

КВАНТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

Квантовые технологии и нанотехнологии идут “рука об руку” друг с другом. Многие из квантовых технологий, появляющихся сегодня, основанные на теории о наноматериалах, применяются в квантовых вычислениях, квантовой электронике и квантовой фотонике. Один из основных принципов нанотехнологии заключается в том, что, когда материал находится в квантовом режиме (т. е. имеет толщину менее 100 нм), он проявляет квантовые эффекты, а не объемные эффекты, наблюдаемые при более крупных молекулярных структурах [2].

Квантовая технология объединяет как свойства различных наноматериалов, так и квантовую механику. Это отличается от сыпучих материалов, свойства которых определяются классической механикой. Одним из наиболее фундаментальных принципов, на которых основаны эти материалы, является удержание электронов, что, в свою очередь, приводит к туннелированию электронов (Рис. 1).  Именно здесь электронный сигнал может покинуть свое ограниченное пространство, даже если сам электрон все еще ограничен. Туннелирование электронов - способ пропускания носителей заряда через квантовые материалы, сохраняя при этом общую электронную природу материала, ограниченную заданным числом измерений.

Рис. 1. «Туннелирование электронов»

Именно это ограничение создает сегодня многие квантовые материалы. Например, 2D-материалы ограничены в одном направлении, имеют электронное движение в 2-х измерениях, отсюда и название. То же самое относится к 1D квантовым проводам (нанопроводам) и 0D квантовым точкам, где электроны заключены в 2 и 1 измерениях соответственно. Удержание электронов в материалах может также привести к возникновению широкого ряда принципов, которые широко используются в квантовых технологиях, таких как принцип неопределенности, квантовой суперпозиции, запутанности и декогеренции.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Квантовые вычисления

Существуют три ключевые области квантовых вычислений: квантовые информационные технологии, квантовые алгоритмы и квантовая криптография. Квантовые вычисления в значительной степени выигрывают от использования квантовых битов (кубитов), которые могут быть закодированы в несколько степеней свободы путем манипулирования поляризацией, траекторией и другими параметрами бита.

Квантовые информационные технологии реализуются путем использования наноматериалов для различных функций, которые способствуют квантовым операциям в этих системах. Наноматериалы могут быть использованы для создания ионных ловушек, КЭД-резонаторов, сверхпроводящих схем и оптических систем, помогающих передавать квантовую информацию во всей вычислительной системе.

Использование и индуцирование изменений в квантовой системе — распространенный подход к хранению и передаче информации. Это может быть применено для кодирования определенных квантовых последовательностей с использованием запутанных фотонов в оптических волокнах для подходов квантовой криптографии [3]. Квантовые материалы, которые демонстрируют явления запутывания, также могут быть использованы для ускорения компьютерных алгоритмов и создания квантовых алгоритмов, которые экспоненциально быстрее классических алгоритмов.

Квантовая фотоника

Квантовая фотоника — это широкая область, которая охватывает все, от спинтронных устройств до квантовых проводов, используемых в волноводах. Квантовая фотоника работает, когда наноматериалы поглощают определенную частоту света, что заставляет рекомбинировать электроны и дырки в материале посредством кулоновских взаимодействий. Это известно как экситон (Рис. 2)

Рис. 2. «Экситон в атоме магния»

Если электроны и дырки ограничены, экситон может вести себя как искусственный атом. Эти искусственные атомы могут быть использованы в качестве пути в квантовых оптико-электронных устройствах. Квантовая фотоника широко используется в секторе связи, где квантово-оптический путь может облегчить передачу квантовых состояний из одного местоположения в другое, даже если эти местоположения находятся далеко друг от друга.

Квантовые электромеханические системы (QEMS)

Квантовые электромеханические системы (QEMS) — это наноструктурные системы, использующие преобразователь, работающий на квантовом пределе. Предел квантовой операции создает высокочувствительную систему, которая может использоваться как для систем микроскопии, так и для определения магнитного момента одного спина.

У QEMS есть много областей, для которых существует другое применение. Наиболее распространенными областями являются сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (SQUIDs), когерентная квантовая электроника и силовая микроскопия с одним спином магнитного резонанса [4]. Квантовые электромеханические системы работают на уровне квантовой эффективности, когда квантовая энергия, проявляемая устройством, превышает тепловую энергию. Существуют как оптические, так и электронные системы, которые полагаются на QEMS и реализуются с помощью генератора, который образует оптический резонатор или движется в движении с внешним магнитным полем.

По мере развития квантовых нанотехнологии в область исследований включаются все больше и больше объектов, одни из самых часто изучаемых являются квантовые точки, квантовые ямы и проводники, углеродные нанотрубки.

Квантовые точки являются одним из наиболее перспективных типов наночастиц, которые используются в оптике, электронике и биологии, благодаря своим уникальным свойствам. Разнообразие приложений для квантовых точек очень велико. Они представляют собой небольшие полупроводниковые частицы с размером от 1 нм до 10 нм. Это искусственные кластеры полупроводных атомов, которые обладают способностью ограничивать движение электронов из-за их небольшого размера (Рис. 3). Одним из наиболее важных свойств квантовых точек является способность настраивать их запрещенную зону и, следовательно, контролировать их частоты поглощения и излучения [5].

Рис. 3. «Коллоидная квантовая точка»

Квантовые точки поглощают фотоны света, а затем повторно излучают фотоны длины волны в течение определенного периода времени. Высокая управляемость размера квантовой точки обеспечивает очень точный контроль над длиной волны переизлучаемого фотона. Поэтому цветом света, излучаемого квантовой точкой, можно манипулировать без значительных затрат или использования технологий высокого класса. Помимо квантовых точек существуют также квантовые нити (провода) и квантовые ямы. (Рис. 4.)

Квантовые ямы — это тонкослойные полупроводниковые структуры, в которых можно наблюдать и контролировать многие квантово-механические эффекты. Они получают большую часть своих особых свойств из квантового удержания носителей заряда (электронов и "дырок") в тонких слоях. Они могут быть изготовлены с высокой степенью точности с помощью современных методов эпитаксиального выращивания кристаллов.

Квантовые ямы являются одним из примеров гетероструктур - структур, созданных путем соединения различных материалов, обычно слоями, и с материалами, соединенными непосредственно на атомном уровне. Когда два полупроводника соединены, заранее неясно, как различные полосы в двух материалах будут выстраиваться в энергетическом ряду друг с другом, и их нет точной прогностической теории на практике. Следовательно, важной экспериментальной величиной является "коэффициент смещения полосы", это отношение разницы энергий зон проводимости к разнице энергий валентных зон.

Квантовые провода — это мезоскопические устройства, которые являются хорошими проводниками, ограничивая электроны или “дырки” в двух пространственных измерениях и допуская свободное распространение в третьем измерении.

Квантовые провода демонстрируют уникальное электрическое, оптическое и химическое поведение из-за размерного удержания носителей заряда и наличия поверхностных состояний, что делает их полезными в качестве элементов устройства в ряде применений, таких как батареи, комбайны, полевые транзисторы и датчики. Доказанный потенциал неорганических нанопроволок в различных областях также указывает на необходимость методов, позволяющих простой и масштабируемый синтез нанопроволок и их переплетенных структур, которые позволили бы непрерывный синтез и легкую интеграцию нанопроволок и их сетей в структуры устройств. Для производства нано- и субмикронного волокна метод электроспиннинга, разработанный в начале 20-го века, продемонстрировал значительные научные и технологические инновации, которые стали актуальными для производства нановолокон и сеток различного состава.

На практике полупроводники демонстрируют четкое квантование проводимости для больших поперечных размеров проводов (100 нм), поскольку электронные режимы, обусловленные ограничением, пространственно расширены. В результате их длины волн велики и, следовательно, они имеют низкое энергетическое разделение. Для металлов квантование, соответствующее самым низким энергетическим состояниям, наблюдается только для атомных проводов. Таким образом, их соответствующая длина волны чрезвычайно мала, они имеют очень большое разделение энергий, что делает квантование сопротивления прекрасно наблюдаемым при комнатной температуре.

Рис. 4. «Образцы квантовых объектов»

Квантовые провода можно сделать из металлических углеродных нанотрубок. К преимуществам изготовления можно отнести их высокую электропроводность, малый вес и диаметр, низкую химическую реакционную способность и высокую прочность на растяжение.

Углеродные нанотрубки представляют собой сотовые решетки, которые состоят из листов однослойных атомов углерода (графена), свернутые в цилиндр (Рис. 5). Они могут быть одностенными - диаметром менее 1 нм или многостенными, состоящими из нескольких концентрически взаимосвязанных нанотрубок, их длина может достигать нескольких микрометров или даже миллиметров. В последние годы они привлекли большое внимание благодаря своим новым электронным и механическим свойствам [6].

Поперечные состояния в нанотрубке соответствуют квантованным состояниям углового момента вокруг окружности нанотрубки.

Рис. 5. «Модель углеродной нанотрубки»

Графен - это название для однослойного (монослойного) листа атомов углерода, которые связаны вместе в повторяющемся рисунке шестиугольника (Рис. 6). Этот лист имеет толщину всего в один атом. Монослои графена, уложенные друг на друга, образуют графит. Графен стал одним из самых перспективных наноматериалов благодаря своему уникальному сочетанию исключительных свойств: это не только самый тонкий, но и один из самых прочных материалов, он проводит тепло лучше, чем все другие материалы, это отличный проводник электричества, он оптически прозрачен, но настолько плотен, что непроницаем для газов — даже гелий, самый маленький атом газа, не может пройти через него [7].

Тверже алмаза, но более эластична, чем резина, прочнее стали, но легче, чем алюминий - графен является самым прочным материалом, а также обладает и другими удивительными характеристиками: его высокая подвижность электронов в 100 раз быстрее чем кремний, он проводит тепло в 2 раза лучше, чем алмаз, его электропроводность в 13 раз лучше меди, он поглощает только 2,3% отражающего света. Графен представляет собой концептуально новый класс материалов толщиной всего в один атом, так называемые двумерные (2D) материалы.

Рис. 6. Двумерный кристалл графена

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время ведется активное исследование в области квантовых нанотехнологий, достижения в этой области стоят на службе нашей цивилизации и отражают важную особенность современного этапа научно-технического развития. Кроме того, нанотехнологии находят самое широкое применение и в технических направлениях, предлагая новую концепцию науки о материалах и технологии.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Муртазина Э.М., Лефтерова О.И. «Основные вехи в развитии нанотехнологии» // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15, №10. С. 45

2. Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В. «Наноматериалы и нанотехнологии. Микросистемная техника», 2003, № 8, с. 3–13.

3. Роко М.К., Уильямс Р.С., Аливисатос П. «Нанотехнология в ближайшем десятилетии». Москва, Мир, 2002, 292 с.

4. Хаврюченко А.В., Шека Е.Ф., В: 7-й симпозиум. «Наноструктуры. Физика и техника». (Санкт-Петербург, 1999). С.П.: Ioffe Inst., 1999, с.550-553.

5. Alchalabi K., Zimin D., Kostorz G., Zogg H. «Self-assembled semiconductor quantum dots with nearly uniform sizes». Phys. Rev. Lett., 2003, vol. 90, pp. 26– 104.

6. Дьячков П.Н. «Электронные свойства и применение нанотрубок». Москва, Бином. Лаборатория знаний, 2011, 488 с.

7. Елецкий А.В., Искандарова И.М., Книжник А.А., Красиков Д.Н. «Графен: методы получения и теплофизические свойства» // УФН, 2011. Т. 181. С. 227—258.

8. P. Nikolaev, M. J. Bronikowski, R. K. Bradley, F. Rohmund, D. T. Colbert, K. A. Smith, and R. E. Smalley. «Gas-phase catalytic growth of single-walled carbon nanotubes from carbon monoxide». Chemical Physics Letters, 313(1- 2):91–97, 1999.

9. J. Cao, Q. Wang, and H. Dai. «Electron transport in very clean, as-grown suspended carbon nanotubes». Nature Materials, 4(10):745–749, 2005.

10. A. K. H¨uttel, G. A. Steele, B. Witkamp, M. Poot, L. P. Kouwenhoven, and H. S. J. van der Zant. «Carbon nanotubes as ultrahigh quality factor mechanical resonators. Nano Letters», 9(7):2547–2552, 2009.

11. Wu Z., Nakayama T., Sakurai M., Aono M. In: I Int. «Symp. on Nanoarchitechtonics Using Suprainteraction» — NASI-1 (Tsukuba, Japan, 2000).

12. Кобаяси, Н. «Введение в нанотехнологию» / Н. Кобаяси; пер. с яп. А. В. Хачояна; под ред. Л. Н. Патрикеева. — 2-е изд. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — 134 с. 3.

13. Гусев, А. И. «Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии» / А. И. Гусев. — 2-е изд., испр. — М. : Физматлит, 2007. — 414 с. 4.

14. Е. Ф. Шека, «Квантовая нанотехнология и квантовая химия», Российский химический журнал (Журнал Российского химического об-ва им. Д. И. Менделеева), 2002, Том XLVI. No.5. С.15—21.

15. G.J. Milburna, M.J. Woolleya, «Quantum nanoscience» Contemporary Physics, Vol. 49, No. 6, (2008) 413—433. 

Код для цитирования: Скопировать