Новости: Перст

Квантовый компьютер в канале транзистора

Проблема считывания результата вычислений является одной из основных в квантовом компьютере. Заманчиво использовать обычные микроэлектронные структуры для проведения подобного измерения. Идея измерять состояние зарядовых кубитов, помещенных рядом с каналом кремниевого полевого транзистора уже приходила в голову японским исследователям (ПерсТ, вып. 1/2, 2000г.). Недавно подобная идея, но уже по отношению к спиновым кубитам, посетила ученых из University of California (Беркли, США) [1]. Они предложили определять спиновое состояние электрона на атоме фосфора, помещенном в канал полевого транзистора, по величине тока. Величина тока определяется спин-зависимым рассеянием электронов проводимости на примесных атомах. Амплитуда этого рассеяния зависит не только от прямого кулоновского взаимодействия, но и обменного взаимодействия, которое определяется спиновым состоянием. К сожалению, знак обменного взаимодействия определяется полным спином системы из двух электронов. Если электроны имеют противоположную ориентацию спинов вдоль оси z, то полный спин может быть равен как S=1, так и S=0. Другим препятствием является процесс взаимного переворота спина измеряемого электрона в результате рассеянии на нем пролетающего электрона. Этот процесс аналогичен эффекту Кондо. Последствия его таковы: мы еще не успели ничего измерить, а спин уже перевернулся. Чтобы подавить этот нежелательный процесс, авторы предлагают использовать сверхтонкое взаимодействие спина измеряемого электрона со спином ядра атома фосфора ─ тогда переворот спина измеряемого электрона запрещает закон сохранения энергии. Однако энергия сверхтонкого расщепления слишком мала (примерно 10^-8 эВ), чтобы исключить переворот. Ее всегда можно взять из кинетической энергии электрона. К сожалению, в работе не представлен расчет самой величины эффекта даже в идеализированных условиях. Но, как бы то ни было, для повышения чувствительности метода необходимо делать канал транзистора как можно уже. И тогда мы естественным путем приходим к идее измерения состояния спина с помощью тока в квантовой нити. Эту идею уже на протяжении многих лет разрабатывают российские ученые А.Орликовский, В.Вьюрков, А.Ветров (ФТИАН) и Л.Горелик (Chalmers University, Швеция). В последней работе [2] предложено использовать резонанс Фано для увеличения амплитуды рассеяния. В резонансных условиях коэффициент отражения может приблизиться к единице. А вот для подавления переворота спина в процессе измерения предлагается использовать спин-орбитальное взаимодействие. Энергия спин-орбитального взаимодействия может достигать в полупроводниках нескольких мэВ.

1. M,Sarovar et al., arXiv:0711.2343,15 Nov (2007).
2. L. Gorelik et al. Int. Symp. “Quantum Informatics 2007”, Zvenigorod, Oct. 2007, Book of Abstracts, p. Q4.

Дырочные спиновые кубиты

Квантовые точки считаются одними из наиболее подходящих кандидатов в физические носители кубитов – как зарядовых, так и спиновых. При кодировании квантовой информации в электронные спины основными источниками релаксации и декогерентизации являются, соответственно, спин-орбитальное взаимодействие и сверхтонкое взаимодействие носителей с ядерными спинами. В квантовых точках на основе GaAs время спиновой релаксации T₁ очень велико и может достигать одной секунды, а время декогерентизации (дефазировки) T₂ на много порядков меньше. Есть основания полагать, что спины дырок (см. рис.) будут подвержены декогерентизации в гораздо меньшей степени. Это связано с тем, что электронные состояния в зоне проводимости GaAs образуются из атомных s-орбиталей, и поэтому их волновые функции имеют максимумы в окрестности ядер, тогда как состояния в валентной зоне образованы p-орбиталями, имеющими пренебрежимо малые перекрытия с ядрами (а значит, и очень слабое сверхтонкое взаимодействие). Следовательно, величина T₂ для дырочных спинов должна быть существенно больше, чем для электронных. Однако для дырок спин-орбитальное взаимодействие очень велико, поэтому есть опасения, что теперь уже время релаксации T₁ будет очень маленьким. Однако последние результаты [1,2] обнадеживают: величина T₁ для дырочных спинов в квантовых точках InGaAs/GaAs достигает нескольких сотен миллисекунд. Согласно предсказаниям теории, в отсутствии сверхтонкого взаимодействия время декогерентизации T₂ должно быть порядка T₁ (точнее, T₂ = 2T₁). Если это окажется действительно так, то дырочные спиновые кубиты составят серьезную конкуренцию электронным.

Л.Опенов

1. D.Heiss et al., Phys. Rev. B 76, 241306 (2008).
2. B.D.Gerardot et al., Nature 451, 441 (2008).

Динамика запутанности

Одним из главнейших ресурсов квантовой информатики является “запутанность” (entanglement) – нетривиальное проявление когерентной суперпозиции состояний составной квантовой системы. Для практических целей важно понимать, как запутанность отдельных частей системы изменяется при неконтролируемом воздействии на них внешнего окружения. И, прежде всего, нужно разработать теоретические методы анализа процесса деградации запутанности. Этому вопросу посвящена работа [1] теоретиков из Южной Африки, Бразилии и Германии. Они рассмотрели пару кубитов, которые приготавливаются в начальном запутанном состоянии r_i, после чего один из них направляется в так называемый “квантовый канал” (термин для обозначения “устройства”, действующего согласно правилам квантовой механики и переводящим одно квантовое состояние в другое; квантовым каналом может быть и оптоволокно, по которому фотоны перемещаются между двумя точками в пространстве, и вентиль, осуществляющий операции с кубитами в квантовом компьютере, и просто окружающая среда, приводящая к декогерентизации). Под влиянием квантового канала состояние кубитов изменяется (r_i ® r_f) (см. рис.); изменяется и запутанность, количественной мерой которой для двух кубитов является “согласованность” C, равная единице для “максимально запутанного” (например, белловского) состояния, нулю для “полностью распутанного” состояния и принимающая значения 0<C<1 в других случаях. Экспериментально начальное и конечное значение согласованности, C(r_i) и C(r_f) соответственно, можно определить, используя хорошо разработанную методику томографии квантовых состояний. После этого о степени ослабления запутанности можно судить по величине отношения C(r_f)/C(r_i). Недостаток такого подхода заключается в его “неуниверсальности”: сложную процедуру определения C(r_i) и C(r_f) нужно всякий раз повторять заново для каждого нового начального состояния r_i (и получающегося в результате его эволюции состояния r_f). Авторы [1] поступили иначе. Сначала они проанализировали динамику изменения запутанности максимально запутанного состояния, а потом доказали, что для него отношение C(r_f)/C(r_i) в точности такое же, как и для любого другого чистого начального состояния r_i. Величина этого отношения определяется только характеристиками квантового канала, но не типом состояния r_i. Для смешанных состояний r_i ситуация несколько иная: теперь уже C(r_f)/C(r_i) для произвольного состояния r_i меньше либо равно своему значению для максимально запутанного состояния в данном канале, то есть имеется ограничение сверху. Для обобщения результатов работы [1] на случай трех и более кубитов нужно сначала определить количественную меру запутанности таких состояний, чего пока сделать не удается.

Л.Опенов

1. T.Konrad et al., Nature Phys. 4, 99 (2008).

К проблемам безопасности наноматериалов в России подходят серьезно

Вопросам безопасности нанотехнологий и наноматериалов в мире уделяется все больше внимания, появляются разнообразные публикации (конечно, и в ПерсТе, см. [1]), организуются конференции (например, конференция по нанотоксикологии «Nanotox-2008» состоится в сентябре этого года в Швейцарии [2]). Очень важно, что в России, где развертывается национальная программа по нанотехнологиям, эти вопросы также стали серьезно рассматриваться. 31 октября 2007 г. была утверждена Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов, разработанная Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека совместно с ведущими научными центрами и НИИ РАМН, Минобрнауки РФ и Роспотребнадзора [3]. В Концепции дана характеристика новых свойств и поведения наноматериалов в окружающей среде и биологических объектах; рассмотрены особенности оценки риска производства и использования наноматериалов; представлен анализ сведений о безопасности производства и использования наноматериалов и определен порядок организации надзора и проведения токсикологических исследований наноматериалов. Особое внимание должно быть обращено на разработку высокочувствительных и адекватных методов определения наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биосредах. Обобщенная схема доказанных и возможных путей поступления наноматериалов в организм человека, их распределения и выведения из организма представлена на рисунке [3] (материалы на эту тему см. также в [1]). В Концепции подчеркивается, что, несмотря на то, что наноматериалы уже используются более 10 лет, «ни один вид не был изучен в полном объеме на безопасность ни в одной из стран мира». Действительно, проведенные до сих пор исследования не позволяют точно оценить соотношение риск/польза наноматериалов.

Приведем в качестве примера результаты двух работ, посвященных изучению легочной токсичности углеродных наноматериалов (УНМ). Эксперименты швейцарских ученых свидетельствуют о вредном воздействии УНМ на легкие человека [4], причем эффект зависит от размера и морфологии наноматериалов. Авторы оценивали in vitro клеточную токсичность многостенных углеродных нанотрубок (МСНТ), углеродных нановолокон и наночастиц. Уже через 24 часа проявилось их вредное воздействие на живые клетки, количество жизнеспособных клеток уменьшилось; после 5 дней отличие от контрольного образца (не подвергшегося воздействию) стало еще более выраженным. Вопреки ожиданиям исследователей самыми токсичными оказались частицы сажи (наименьшее число живых клеток при всех концентрациях и временных периодах). Цитотоксичность МСНТ оказалась самой низкой, однако она возросла после химической обработки (кислотой) поверхности нанотрубок. Авторы признают, что механизмы, которые приводят к ингибированию роста клеток и к гибели клеток, не ясны. Возможно, гибель клеток происходит в результате контакта УНМ с клеточной мембраной, возможно – уже после локализации. Подчеркивается, что специального изучения требует вопрос канцерогенности (то есть преобразования нормальных клеток в клетки опухоли) УНМ. Авторы призывают к осторожному обращению с наноматериалами. А вот американские исследователи из University of Tennessee и Oak Ridge National Laboratory показали [5], что существуют углеродные наноматериалы, которые прекрасно подходят для доставки лекарств и не проявляют легочной токсичности. Это одностенные нанорожки. Эксперименты были проведены на мышах in vivo. Важным преимуществом этого материала, по мнению авторов, является чистота - он может быть синтезирован методом лазерной абляции графитовой мишени без использования катализаторов, частицы которых могут вызывать воспалительные отклики и окислительный стресс.

В заключение проинформируем читателей, что с 1 декабря 2007 г. в Российской Федерации введены в действие методические рекомендации «Оценка безопасности наноматериалов». Методические рекомендации разработаны «с целью обеспечения единого, научно-обоснованного подхода к оценке безопасности наноматериалов» и должны быть использованы на этапе разработки, а также при проведении санитарно-эпидемиологической экспертизы и государственной регистрации продукции, полученной с использованием нанотехнологии или содержащей наноматериалы [6].

О.Алексеева

1. ПерсТ 14, вып.19, с.4 (2007).
2. 2d Int. Conf. Nanotoxicology, September 7-10, 2008, Zürich, Switzerland,
3. Постановление
4. A. Magrez et al,. Nano Letters 6, 1121 (2006).
5. R.M. Lynch et al., Nanotoxicology1, 157 (2007).
6. Система "Гарант"

Спиновый конденсатор

Учеными из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре предложен способ создания конденсатора, в котором при подаче электрического напряжения на обкладки накапливался бы не только электрический заряд электронов, но и их спин [1]. Секрет состоит в том, что поверхность раздела магнитного металла и диэлектрика должна представлять собой эффективную магнитоэлектрическую среду. Магнитоэлектрическими называют среды, в которых наблюдается намагниченность, индуцированная электрическим полем, а также обратный эффект – электрическая поляризация, индуцированная магнитным полем. Всплеск интереса к этому виду материалов, своего рода «магнитоэлектрический ренессанс», вызван, с одной стороны, развитием физики конденсированного состояния вещества и наук о материалах, позволяющих создавать среды с гигантскими магнитоэлектрическими эффектами [2], с другой стороны, все возрастающими запросами индустрии магнитной памяти, требующими замены индуктивных записывающих головок на емкостные элементы. Недостатками индуктивных элементов являются омические потери, перегрев, а при дальнейшем уменьшении размеров еще и электромиграция (перенос ионов металла при протекании электрического тока). Емкостные элементы лишены всех перечисленных недостатков и, кроме того, обладают еще одним несомненным преимуществом – лучшей совместимостью с планарной технологией. На настоящий момент известно три основных типа магнитоэлектрических материалов:

• естественные однофазные магнитоэлектрические материалы и мультиферроики (среды с электрическим и магнитным упорядочением), в которых магнитная и электрическая подсистемы одного и того же вещества связаны магнитоэлектрическим взаимодействием;
• композитные материалы, состоящие из пьезоэлектрической и магнитострикционной компонент: фазы, отвечающие за электрические и магнитные свойства, пространственно разделены, посредником же между ними служат механические напряжения [3, 4];
• структуры, устроенные по принципу полевого транзистора, в которых путем изменения с помощью электрического поля свойств разбавленного магнитного полупроводника изменяется сила ферромагнитного взаимодействия [5].

Авторы [1] предлагают еще один механизм, обусловленный носителями заряда на поверхности раздела диэлектрик/магнитный металл. С симметрийной точки зрения магнитоэлектрический эффект становится возможным, поскольку в такой конфигурации одновременно нарушается симметрия относительно инверсии пространства и времени: в приповерхностных слоях на границе раздела двух сред отсутствует центр симметрии, а магнитное упорядочение в одной из них нарушает симметрию относительно обращения отсчета времени. Предлагаемое решение внешне сходно с композитными материалами, но отличается тем, что магнитная и электрическая подсистемы не разделены пространственно, а сосуществуют, хотя и в чрезвычайно тонком слое: электрическая поляризация распространяется в толщу магнитного материала на расстояние нескольких атомных слоев, делая его магнитоэлектрическим.

Численные расчеты авторов [1] показывают, что электрическое поле вызывает пропорциональное изменение намагниченности, знак которого зависит от электрической полярности и противоположен на двух обкладках конденсатора. Чтобы количественно характеризовать магнитоэлектрические свойства системы, авторы вводят безразмерный параметр, равный отношению заряда спин-поляризованных электронов ко всему заряду электронов накопленному на обкладках. Для пары материалов SrRuO₃/SrTiO₃ эта величина составляет η~0.4, а «спиновая емкость», т.е. отношение плотности спин-поляризованного заряда к напряжению порядка C_s~100 фмФ/мкм² (соответственно, обычная емкость составляет C₀ =С/η~250 фмФ/мкм²). Несмотря на то, что данный эффект является пока результатом численного моделирования, уже мало кто сомневается в его существовании, поскольку ab initio методы расчетов достигли такого уровня развития, что начинают не просто объяснять экспериментальные результаты, но и предсказывать новые эффекты. Кроме того, в пользу существования описанного явления говорит недавно обнаруженный в электрохимических элементах с ферромагнитными электродами эффект перестраиваемого электрическим полем магнетизма [6].

В заключение стоит отметить, что данное явление служит иллюстрацией общей идеи о том, что поверхность материала обладает особыми свойствами. Как говорил нобелевский лауреат 2000 г. Герберт Кремер в своей лекции, суммирующей работы по полупроводниковым гетероструктурам: «Поверхность раздела двух сред сама по себе является устройством» (“the interface is the device”). Другим ярким примером проявления того же принципа может служить поверхность раздела двух непроводящих сред – перовскитов SrTiO₃ и LaAlO₃, которая обладает металлическими [7] и даже сверхпроводящими [8] свойствами, результат тем более поразительный, что ни SrTiO₃ ни LaAlO₃ в объеме ни при каких температурах таких свойств не проявляют.

А. Пятаков

1. J.M. Rondinelli., et al,Nature nanotech.3,46 (2008).
2. M. Fiebig, J. Phys. D: Appl. Phys. 38, R123 (2005).
3. G. Srinivasan, Y.K. Fetisov, Integrated Ferroelectrics, 83, 89 (2006).
4. J. Zhai, J. Li, D. Viehland, M. Bichurin, J. Appl. Phys. 101, 014102 (2007).
5. H.Ohno, et al., Nature 408, 944 (2000).
6. M.Weisheit et al., Science 315, 349 (2007).
7. A.Ohtomo, H.Y.Hwang , Nature 427, 423 (2007).
8. N. Reyren et al., Science 317, 1196 (2007).

Инвестиционный капитал движется к Солнцу

Где деньги, идущие сегодня в хайтек? Не в компьютерных чипах, но скорее в секторе «чистой технологии», особенно в солнечной энергетике. Так называемые «чистые технологии» становятся самым модным словечком в бизнесе и самой горячей областью инвестиций, опережая по объему вложений полупроводниковые и информационные технологии [1]. Судите сами. В январе с.г. правительство ОАЭ анонсировало выделение 15 млрд. долл. для исследований и разработок в области возобновляемой энергетики – Солнце, Ветер и Водород [2], приглашая присоединится к его инициативе частные национальные компании, чтобы значительно увеличить эту сумму. Кроме того, правительство ОАЭ будет выделять ежегодно грант стоимостью 2.2 млн. долл. за самое блестящее инновационное решение в этой области. 18 февраля с.г. коалиция более 40 инвесторов США и Европы (включая American Airlines, Coca-Cola, Dell, Ford, General Motors, Macdonalds, Sun Microsystems), владеющих в сумме 1.75 трлн. долл. активами, заявила об инвестировании 10 млрд. долл. в «чистые технологии» в течение ближайших 2-х лет [2].

7 млрд. долл. вкладывают в развитие фотовольтаического производства в Fab City (вблизи Хайдарабада) национальные индийские компании (среди них, 3 млрд. долл. инвестировала SemIndia, дочернее предприятие американской AMD), а на рассмотрении в правительстве Индии еще несколько предложений по солнечной энергетике от различных компаний на общую сумму более 6 млрд. долл. [3]. Активно осваивают рынок солнечных элементов, растущий ежегодно на 30%, китайские компании - Nantong Qiangsheng Photovoltaic Technology открыла новую производственную линейку по выпуску тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного кремния и планирует установить в течение трех лет фотовольтаические станции во Внутренней Монголии, Тибете и китайской провинции Ксиньянг [4]. Не отстает и Южная Корея - компания KCC Corp. планирует инвестировать 339 млн. долл. в строительство завода по получению поликристаллического кремния (3000 т ежегодно), как исходного материала для производства солнечных элементов [5]. Сегодня на рынке фотовольтаических модулей доминируют три региона – Япония, как первый разработчик таких модулей, затем Европа (особенно, Германия) и США. В Японии компания Sharp является самым большим в мире производителем солнечных панелей, в 2007 г. Sharp запустила производственную линию кремниевых тонкопленочных солнечных ячеек и инвестировала 925 млн. долл. в строительство еще одной новой фабрики [6]. В Германии компания Deutsche Solar имеет самое крупное в мире производство солнечных элементов на поликристаллическом кремнии, который позволяет создавать элементы с наиболее высокой эффективностью (15-16%). В США – Sun Power Corp. (Калифорния), производитель высокоэффективных солнечных ячеек, солнечных панелей и солнечных систем, планирует к 2016 году достичь общую электрическую мощность произведенных солнечных элементов более 3 ГВт [7]. В 2008 г. Suntech планирует поставить потребителям фотовольтаических модулей общей мощностью 530 МВт [8]. Компания Sun Power Corp. продемонстрировала эффективность преобразования в солнечных ячейках до 20% [13].

К слову, интерес к солнечному рынку недавно проявила и компания Intel, которая готова инвестировать проект строительства самой большой «солнечной» фабрики в США, продвигаемый немецкой компанией Solar World [9]. На рынке в настоящее время доминирует поликристаллический кремний (80% рынка), другие 20% - аморфный кремний, CdTe и CdInSe. Коммерчески выпускаются два типа фотовольтаических ячеек на кремнии - изготовленные в массиве поликристаллических кремниевых подложек (толщиной 150-180 мкм) и тонкопленочные на стеклянных подложках [10]. Первые в настоящее время имеют большую эффективность преобразования - поликремниевая ячейка в виде квадрата со стороной 156 мм генерирует до 3.5 Вт, в то время как тонкопленочная ячейка 6 мм х 1.2 м генерирует около 0,5 Вт. Тонкопленочные элементы на основе соединений А²В⁶ – относительно новая продукция на рынке солнечных элементов. Компания Global Solar Energy Inc. (США) утверждает, что достигла прорыва в изготовлении солнечных ячеек на основе тонких пленок медь-индий-галлиевого селенида на гибких подложках с эффективностью преобразования 10% [13] и строит два новых завода (в США и Германии), планируя приступить к коммерческому выпуску ячеек общей мощностью до 65 МВт уже в текущем году.

Другие поставщики тонкопленочных солнечных ячеек на А²В⁶ - First Solar Inc. (ячейки на CdTe с эффективностью 10,5%) и United Solar Ovonic, а также стартапы - DayStar, HelioVolt, Iset, Miasole, Nanosolar, Solyndra. Для солнечных элементов следующего поколения применяются нанотехнологические подходы. Например, солнечные ячейки на основе тонких пленок (толщиной до 1100 нм) из легированных азотом наночастиц двуокиси титана (TiO₂/N) размером до 100 нм с добавлением CdSe квантовых точек разрабатываются совместной группой из University of California (Santa Cruz, США), Universidad Michoacana de San Nicolas de Hidalgo (Мексика) и Tsinghua University (Пекин, Китай) [11]. Это изучение прокладывает путь другим полупроводниковым квантовым точкам (например, PbSe и CdTe) и максимизирует эффективность «сбора излучения» в видимом и УФ диапазонах. Модель, если она окажется корректной, будет иметь важное применение для разработки солнечных ячеек, основанных на наноинженерии материалов [12]. Солнечная энергетика станет реальностью, когда будет достигнут так называемый «сетевой паритет», т.е. стоимость электроэнергии, генерируемой солнечными панелями, сравняется с тарифами традиционной дизельной электростанции для данного региона. Основной фактор – исходная цена панелей, которая в значительной степени определяется стоимостью кремния.

Стоимость сегодняшней полупроводниковой электроники низкая не в последнюю очередь за счет использования подложек большого диаметра (переход от подложек диаметром 100 мм через 150 и 200 к 300 мм). То же самое с солнечными элементами. Так, сегодняшний стандартный размер стеклянных подложек для тонкопленочных кремниевых солнечных ячеек, используемых американской компанией Applied Materials Energy and Environmental Solutions – 5.7 м². Самая большая сложность на рынке солнечных элементов – их стоимость. Самая низкая цена на электроэнергию от поликристаллического солнечного модуля в США - 4,28 долл. за ватт; для монокристаллического - 4,35 долл. за ватт; а для тонкопленочного – 3,66 долл. за ватт. Как правило, тонкопленочные модули будут стоить ниже кристаллических, но при этом они менее эффективны [13].

По некоторым оценкам сетевой паритет в богатых солнцем регионах может наступить в ближайшие 2 года, а по другим оценкам это может случиться только к 2030 г. [4]. В таблице представлены данные по электрической мощности, генерируемой солнечными ячейками, изготовленными верхней тройкой мировых производителей в 2006-2007 г.г. В последние годы растет как число компаний, включившихся в «солнечное» производство, так и генерируемые ими электрические мощности. Если еще недавно общую мощность, генерируемую солнечными ячейками всех компаний мира, оценивали в 4 ГВт, то сегодняшние оценки возросли до 15 ГВт.

Предположительно емкость, генерируемая электростанциями США сегодня – между 500 ГВт и 1 ТВт. Пятнадцать 1 ГВт солнечных заводов, производящие вместе 15 ГВт в год, могут полностью заменить все другие генерирующие мощности в течение 40 лет, при условии, что требования не вырастут. На самом деле могут быть запущены 7не 15 заводов, а 50, тогда нужные объемы могут быть наработаны за 10-15 лет.

1. EETIMES1
2. EETIMES2
3. EETIMES3
4. SEMICONDUCTOR1
5. SEMICONDUCTOR2
6. SEMICONDUCTOR3
7. SEMICONDUCTOR4
8. EETIMES4
9. SEMICONDUCTOR5
10. EDN
11. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 1282
12. Materials today 2008, 11, N 3, р. 10
13. SEMICONDUCTOR6