Новости: Перст

Топологический квантовый компьютер

Главное препятствие на пути создания квантового компьютера, помимо технологических проблем, представляет декогерентизация, которая нарушает состояние квантовой системы и не позволяет проводить вычисления. Усилия теоретиков распределились по трем направлениям. Одни разрабатывают методы коррекции ошибок. Для квантового компьютера это сделать очень не просто из-за теоремы, запрещающей клонирование неизвестного состояния квантовой системы. Пока только возможно исправление некоторых типов ошибок. В другом направлении ищут возможности подавления процессов декогерентизации. И, наконец, в третьем направлении изобретают квантовые системы, устойчивые к этим процессам. Именно по этому пути пошел Алексей Китаев (California Institute of Technology), который в 1997 г. предложил использовать топологические состояния анионов для квантовых вычислений. Интуитивно идея ясна: как состояние не деформируй, его топология будет сохраняться. Можно из бублика сделать чашку, но топология останется прежней.

Слово анион (anyon) не имеет никакого отношения к слову анион (anion) – отрицательно заряженный ион. Оно происходит из слова «anyone» и означает, что перестановка таких частиц изменяет фазу волновой функции на любую величину в интервале от 0 до π. Для бозонов изменение фазы при перестановке равно 0, а для фермионов – π. Анионы обладают свойством, присущим фермионам. Для них работает принцип запрета Паули: две частицы не могут находиться в одинаковом состоянии. Иными словами, траектории этих частиц в пространстве-времени не могут пересекаться и сливаться, как траектории бозонов. Если перестановку частиц изображать как скрещивание траекторий, то возникает аналогия с пряжей. Состояниям из n анионов могут соответствовать топологически различные переплетения. Этот зрительный образ позволяет построить математические теории соответствующих групп и алгебр, которые оказываются не-абелевыми. На этих состояниях (braiding anyons) можно построить квантовый компьютер в результате «плетения» (см. рис.). Для этой цели особенно удобны частицы с зарядом 1/4, которые недавно обнаружены в эксперименте. При перестановке таких частиц фаза волновой функции изменяется на π/4. Система, содержащая 2n таких частиц, имеет 2^n-1 топологически различных состояний. Это и есть основа для квантового компьютера подобно тому, как обычные кубиты в запутанных состояниях создают основу для квантовых вычислений. Устойчивость к декогерентизации интуитивно понятна: как пряжу не трепать – переплетения сохранятся. Кстати, если попробовать аналогию с плетением перенести на электроны, то получим следующее: все переплетения n электронов оказываются топологически одинаковыми.

Чтобы несколько убавить разгоряченность, назовем еще не решенные проблемы в области топологических компьютеров. Хотя и показано, что на этом принципе можно создать универсальный компьютер, который может решать любые задачи, пока не разработаны квантовые алгоритмы, аналогичные алгоритму Шора и Гровера, применяемые для традиционных квантовых компьютеров. Это означает, что пока не известно, будут ли эти алгоритмы давать ускорение вычислений на топологическом квантовом компьютере по сравнению с классическим компьютером. Кроме того, источником декогерентизации может оказаться «вплетение» новых квазичастиц или разрыв нитей, т.е. уничтожение нужных квазичастиц.

В.Вьюрков

1. L. Venema. Nature 452, 803 (2008).

Продолжаются токсикологические исследования углеродных нанотрубок in vivo

Китайские ученые, занимающиеся вопросами токсичности наноматериалов, в кратком обзоре [1] представили наиболее важные результаты недавних экспериментов на мышах. Отдавая должное простому и эффективному радиоиндикаторному методу изучения биораспределения углеродных нанотрубок in vivo (описанному, например, в ПерсТе [2]), они, тем не менее, отметили, что он подходит для довольно короткого слежения и не может дать полной картины. Новый шаг к пониманию того, как воздействуют нанотрубки на живой организм, сделан в работе S.Gambhir и его коллег из Стэндфордского университета (США) [3]. Исследователи изучали острую и хроническую токсичность одностенных нанотрубок (ОСНТ) при введении их в систему кровообращения мышей путем инъекций. Предварительные исследования на небольшой группе мышей не выявили токсичности функционализованных углеродных одностенных нанотрубок (ОСНТ) в течение 4 месяцев [3].

Будущее использование углеродных нанотрубок и других наноматериалов в биомедицинских целях (например, для диагностики или доставки лекарств в живом организме) требует изучения in vivo. Однако в последнее время в России проявляется резко негативное отношение (которое поддерживается средствами массовой информации) к проведению экспериментов на животных. Телеведущие и некоторые журналисты объясняют нам, что для развития медицины и биологии достаточно компьютерного моделирования. Конечно, компьютерные методы и разнообразные методы in vitro очень полезны и широко используются, но они могут служить лишь дополнением, а не альтернативой исследованиям in vivo. Современная биомедицина не может обойтись без экспериментов на лабораторных животных. Такие эксперименты являются важнейшим этапом доклинических исследований. Только в них можно получить данные о дозах, фармакокинетике веществ, только в них можно изучить побочные эффекты, токсичность, канцерогенность [4]. Заметим, что основные принципы постановки экспериментов с использованием лабораторных животных четко регламентируют обязанности экспериментатора, и результаты экспериментов, в которых животным причинялись излишние страдания, не могут быть представлены ни в научных журналах, ни на конференциях.

Пока защитники прав животных не добились прекращения исследований, ученые продолжают проводить важные эксперименты на мышах. В работе [3] было изучено воздействие двух типов ОСНТ - с нековалентной функционализацией полиэтиленгликолем (ОСНТ-ПЭГ) как «наименее токсичный сценарий» и с ковалентной функционализацией полиэтиленгликолем оксидированных нанотрубок (ОСНТ-О-ПЭГ) как «наиболее токсичный сценарий». Растворы с ОСНТ были введены внутривенно; в контрольный экземпляр вводили физиологический раствор. Использовались группы из 5 мышей, в каждой группе были мыши одного пола, подопытной была одна из них. В статье указано, что эксперименты проводили в соответствии со всеми действующими правилами и рекомендациями использования животных.

За мышами вели постоянное наблюдение. Не было замечено ни изменения внешнего вида, ни каких-либо особенностей в поведении животных, которым были сделаны инъекции. Регулярно проводили полный биохимический анализ крови. Он не выявил статистически значимых различий между группами, а также изменений в течение всех четырех месяцев эксперимента. Исследования in vitro (атомная силовая микроскопия и рамановская спектроскопия) тканей, взятых у мышей после окончания эксперимента, показали, что как ОСНТ-ПЭГ, так и ОСНТ-О-ПЭГ сохранились внутри макрофагов* печени; при этом отсутствовали признаки какой-либо патологии.

Это первое систематическое исследование токсичности введенных внутривенно ОСНТ, однако из-за небольшого количества изученных животных авторы рассматривают его как пилотное. Кроме того, эксперименты проводили на иммунодефицитных мышах. Для тщательной оценки токсичности нанотрубок необходимо проведение экспериментов с использованием достаточно большого количества животных [1,3].

_____________________

* Макрофаги – (от греч. makrós – большой и phágos — пожиратель) крупные клетки, принимают участие в работе врожденного и приобретенного иммунитета. Активно захватывают и «поедают» чужеродные частицы (вирусы, бактерии, токсичные для организма частицы). Макрофаги участвуют в заживлении ран, удалении отживших клеток. Тканевые макрофаги распространены по всему телу; например, к ним относят так называемые купферовские клетки печени. Термин введен И.И. Мечниковым в 1892 г.

О.Алексеева

1. Y. Zhao et al. Nature Nanotech. 3, 191 (2008).
2. ПерсТ 15(8) (2008) с.5
3. M.L. Schipper et al. Nature Nanotech.3, 216 (2008).
4. Современная нейробиология и нейронауки.

Рутениевые подложки для графена

Уникальные электронные характеристики графена (монослоя атомов углерода) делают его перспективным материалом для использования в наноэлектронике, квантовой информатике и пр. Поэтому встает вопрос о производстве графена в больших количествах. Трудоемкая и не отличающаяся воспроизводимостью методика микромеханического отщепления графеновых слоев от графита здесь не годится. Альтернативой является эпитаксиальный рост графена на подложке, например на 6H-SiC или 4H-SiC [1]. Но здесь возникают проблемы, связанные с малыми поперечными размерами графеновых областей и их неоднородностью по толщине. При использовании подложек из переходных металлов взаимодействие атомов углерода с подложкой ведет к существенному изменению электронной структуры графена и препятствует его отделению для переноса на другие подложки [2]. Новая технология эпитаксии графена на Ru(0001) разработана в Brookhaven National Laboratory (США) [3]. Хотя первый графеновый слой действительно очень сильно взаимодействует с подложкой, но уже второй слой (см. рис.) с ней практически не связан. Характерные размеры монокристаллических графеновых областей превышают 200 мкм, что вполне подходит для большинства практических применений.

Л.Опенов

1. W.A. de Heer et al., Solid State Commun. 143, 92 (2007).
2. S. Marchini et al., Phys. Rev. B 76, 075429 (2007).
3. P.W.Sutter et al., Nature Mater. 7, 406 (2008).

Электрическое управление ферромагнетизмом в полупроводнике (Ga,Mn)As

В последнее время все чаще появляются сообщения об управлении магнитным состоянием вещества с помощью электрического поля без привлечения токов, а значит, без омических потерь (см. напр. ПерсТ т.13, вып.10; т.15 вып.4, вып.9). Однако в большинстве случаев это управление реализуется в ферромагнитных оксидах, плохо совместимых с полупроводниковой технологией. В недавней статье в Nature Materials [1] сообщается об управления ферромагнетизмом в магнитном полупроводнике (Ga,Mn)As с помощью электрического поля.

Идея устройства схожа с принципом действия полевого транзистора (рис.1): изменение электрического потенциала на затворе изменяет концентрацию дырок в полупроводниковом материале под ним. Только в данном случае изменение концентрации сказывается не только на проводимости материала, но и на ферромагнетизме, поскольку обменное взаимодействие между ионами марганца, упорядочивающее магнитные моменты в веществе, осуществляется в (Ga,Mn)As дырками валентной зоны. Другой особенностью данной структуры является то, что в качестве изолятора между электродом затвора и полупроводником служит не просто слой диэлектрика, а сегнетоэлектрик с большой поляризуемостью (ferroelectric-gate field-effect transistor (FeFET)).

Как и в истории создания полевого транзистора, простота идеи отнюдь не означала простоту ее технической реализации. В данном случае основные трудности были следующие:

а) равновесная концентрация дырок в материале (Ga,Mn)As довольно высока (10²⁰–10²¹cm⁻³), и для того, чтобы изменения в концентрации, наводимые напряжением на затворе, были заметными, и чтобы избежать эффекта экранировки поля затвора, потребовалось уменьшить толщину полупроводника до 7 нм; подложка из материала с большей величиной запрещенной зоны (Ga,Al)As позволяет создать еще большее пространственное ограничение для дырок (а, следовательно, уменьшить эффективную толщину канала);

б) вторая трудность состоит в плохой технологической совместимости (Ga,Mn)As и сегнетоэлектриков, поскольку при изготовлении последних требуется производить отжиг при температурах 400–600^°C, а при этом в арсениде галлия резко уменьшается концентрация ионов Mn, и, соответственно, теряются магнитные свойства полупроводника; выход состоял в использовании вместо обычного перовскитного сегнетоэлектрика полимерного материала – фторида поливинилидена с трифторэтиленом, его температура отжига составляла всего 140^°C.

Надо отметить, что это далеко не первая попытка на принципе полевого транзистора осуществить управление магнетизмом в полупроводниках. В отличие от предыдущих реализаций, использовавших в качестве изолятора обыкновенный диэлектрик [2,3], данную схему отличают относительно небольшие управляющие напряжения (десятки вольт вместо сотен) и энергонезависимый (non-volatile) характер намагниченного состояния – система «запоминает» его после снятия электрического напряжения. Как считают авторы [1], продемонстрированный ими принцип откроет дорогу к созданию новых многофункциональных устройств программируемой логики и компьютерной памяти.

А. Пятаков

1. I. Stolichnov et al, Nature Mater. 7, 464 (2008).
2. H. Ohno, Nature, 408, 944 (2000).
3. D. Chiba, Appl. Phys. Lett. 89, 162505 (2006).

Влияние экранирования на эмиссионные свойства катода на основе углеродных нанотрубок

Важнейшей особенностью углеродных нанотрубок (УНТ), определяющей возможность их эффективного использования в качестве основы холодных полевых эмиссионных катодов, является их способность усиливать электрическое поле. Это свойство обусловлено чрезвычайно высоким аспектным отношением (отношением длины к диаметру), присущим УНТ. Поскольку ток полевой эмиссии характеризуется экспоненциальной зависимостью от напряженности электрического поля на поверхности катода, то катоды на основе УНТ являются источниками достаточно высоких токов при относительно небольших величинах приложенного напряжения. Однако естественное стремление повысить плотность тока подобного эмиттера за счет увеличения поверхностной плотности нанотрубок наталкивается на ограничение, обусловленное явлением электростатического экранирования УНТ. В самом деле, высокий коэффициент усиления электрического поля, величина которого порядка аспектного отношения эмиттера, реализуется только в случае, когда нанотрубки, образующие катод, расположены достаточно далеко друг от друга. Однако в этом случае плотность тока эмиссии относительно невелика. Уменьшение среднего расстояния между нанотрубками приводит, с одной стороны, к увеличению плотности эмиттеров, а с другой стороны - к снижению коэффициента усиления индивидуальных УНТ вследствие эффекта экранирования. При плотном сближении нанотрубок эффект усиления поля вовсе пропадает, а вместе с ним пропадают преимущества нанотрубок в качестве источника эмиссии. В этом случае катод эмитирует как плоский эмиттер. Таким образом, плотность тока эмиссии характеризуется немонотонной зависимостью от среднего расстояния между индивидуальными нанотрубками. Расчеты показывают, что максимальная величина плотности тока эмиссии достигается при расстоянии между нанотрубками, составляющем примерно половину их высоты.

Более сложный характер экранирования наблюдается в весьма распространенном случае, когда эмиттер состоит не из изолированных УНТ, а из жгутов, каждый из которых включает в себя несколько десятков нанотрубок.

Математическое моделирование такой ситуации наталкивается на значительные вычислительные трудности, поэтому основным источником информации в этом случае является эксперимент. Недавно группа специалистов из университетов штатов Орегон и Вашингтон (США) выполнила детальные экспериментальные исследования явления усиления электрического поля катода, составленного из жгутов УНТ различного диаметра при наличии эффекта экранирования. 320 индивидуальных вертикально ориентированных жгутов высотой около 100 мкм и диаметром 120, 60, 30 и 15 мкм размещали регулярным образом на подложке размером 3600х3600 мкм на расстоянии 200 мкм друг от друга. Нанотрубки выращивали на кремниевой подложке методом CVD в потоке Н₂ + С₂Н₂ при температуре 700^оС с использованием катализатора на основе железа. Диаметр жгута определялся размером частицы катализатора. Индивидуальные нанотрубки, образующие жгуты, имели диаметр 10–15 нм, состояли из 5–7 графитовых слоев и располагались в среднем на расстоянии около 50 нм друг от друга. При исследовании эмиссионных свойств катода в качестве анода использовали цилиндрический вольфрамовый зонд диаметром 150 мкм с плоской вершиной. Тем самым площадь поверхности анода значительно превышала поперечное сечение любого жгута, однако его диаметр оставался меньше расстояния между жгутами. Измерения эмиссионного тока производили при межэлектродном расстоянии 100 мкм. Результаты выполненных измерений, представленные на рис. 1, указывают на сильную зависимость вольт-амперных характеристик эмиттера от диаметра жгута. Чем меньше диаметр жгута, тем при меньшем приложенном напряжении наблюдается эмиссия. Обработка представленных характеристик в координатах Фаулера-Нордгейма приводит к величинам коэффициента усиления электрического поля β = 602, 639, 1013, 1726 и 2425 для жгутов диаметром 400, 120, 60, 30 и 15 мкм, соответственно.

А.В.Елецкий

1. D. McClain et al. J. Phys. Chem. 111, 7514 (2007).