Публикации: Оптика и электроника (рубрикатор)

Введение

В ближайшие 15-20 лет кремниевые процессоры достигнут предела своих возможностей. Это касается, в первую очередь, быстродействия систем, применяющихся в настоящее время. Поэтому уже сейчас необходимо искать новые принципы, согласно которым будут построены быстродействующие устройства с низким энергопотреблением и тепловыделением.

Одним из решений этого вопроса является использование вместо заряда спина электрона, создание так называемого квантового компьютера. В настоящее время уже сформировалась наука под названием спинтроника. Термин "спинтроника" произошел от англоязычного выражения "spin electronics" ("спиновая электроника"; иногда её также называют "магнитоэлектроникой"). Спинтроника изучает взаимодействие собственных магнитных моментов электронов (спинов) с электромагнитными полями. Создание устройств, таких как компьютерные чипы, использующие технологию спинтроники, пока невозможно, в отличие от запоминающих устройств с произвольной выборкой и считывающих головок, поскольку они могут быть созданы только на базе полупроводников, а существующие полупроводники не обладают свойствами магнетизма при комнатной температуре.

Некоторые исследования в этой области, конечно, проводились. В последнее время большой интерес проявляется к созданию полупроводниковых материалов, в которых часть катионов в кристаллической структуре замещается на магнитные частицы, т.н. разбавленные магнитные полупроводники (РМП). Среди различных магнитных полупроводниковых материалов ZnO, легированный 3d-переходными металлами, представляет наибольший интерес, т.к. подобные структуры имеют температуру Кюри чуть выше комнатной [2-5]. В настоящий момент для получения допированного нанокристаллического оксида цинка в основном используются такие методы, как синтез из газовой фазы (CVD и PVD), метод молекулярно-лучевой эпитаксии и др. Особый интерес представляет метод гидротермальной кристаллизации, который позволяет, во-первых, варьировать в достаточно широких пределах форму и размеры получаемых структур, во-вторых, вести процесс при относительно низких температурах (ниже 300°С), что позволяет существенно снизить энергозатраты.

Таким образом, предлагается создание нанопроцессора с использованием принципов квантовой механики, для реализации которого будет использован разбавленный магнитный полупроводник (рассмотрен оксид цинка, допированный кобальтом).

Принцип работы

Основная ячейка квантового компьютера - квантовый бит, или сокращенно кубит (q-бит). Это квантовая частица, имеющая два базовых состояния (для спина это ±1/2), которые обозначаются 0 и 1. Принципиальная схема работы любого квантового компьютера может быть представлена следующим образом (рис.1).

Основной его частью является квантовый регистр - совокупность некоторого числа L кубитов. До ввода информации в компьютер все кубиты регистра должны быть приведены в основные базисные состояния. Эта операция называется подготовкой начального состояния или инициализацией (initializing). Далее каждый кубит подвергается селективному воздействию, например, с помощью импульсов внешнего электромагнитного поля, управляемых классическим компьютером, которое переведет основные базисные состояния определенных кубитов в не основное состояние.

Использование оксида цинка, допированного кобальтом.

Создание кубитов требует и создания новых классов материалов, в частности, магнитных полупроводников. Для промышленного использования наибольший интерес представляют разбавленные магнитные полупроводники, например, оксид цинка, допированный кобальтом. Немногочисленные исследования в этой области показали, что при определенных условиях синтеза наблюдается ферромагнетизм при комнатной температуре. В настоящий момент для получения допированного нанокристаллического оксида цинка в основном используются такие методы, как каталитический рост по механизму ПЖК (пар-жидкость-кристалл) [6], методы газофазного химического синтеза (CVD) [7], в частности, с использованием металлорганических прекурсоров (MOCVD) [8], метод импульсного лазерного осаждения [9] и молекулярно-лучевой эпитаксии [10].

Эти и некоторые другие, менее распространённые методы, требуют использования высокой температуры и вакуума, а также используют дорогие прекурсоры, что увеличивает стоимость синтеза и ограничивает выбор исходных веществ.

Более привлекательными для роста полупроводниковых магнитных наноструктур являются методы мягкой химии, позволяющие лучше контролировать химический состав продуктов синтеза по сравнению с предыдущими методами.

Гидротермальный метод допирования ZnO кобальтом стал исследоваться недавно, поскольку большинство статей датируется 2009 годом. Гидротермальным синтезом принято называть метод получения различных неорганических соединений путем осуществления химических реакций в водных растворах в закрытых системах при температурах выше 100°С и давлениях выше 1 атмосферы. Данный метод базируется на способности воды при повышенных температурах и давлениях (гидротермальные растворы) растворять практически нерастворимые при обычных условиях неорганические соединения, такие как оксиды, силикаты, фосфаты, германаты и другие.

Были приготовлены растворы нитрата кобальта, нитрата цинка и уротропина в соотношении, необходимом для получения соединений с 0,5%, 1%, 2%, 5% и 10% содержанием кобальта. Далее проводился гидротермальный синтез в изотермическом режиме при температурах 120, 240 °С. Время синтеза варьировалось от 2 до 12 часов. Полученные соединения промывались и исследовались с помощью растровой электронной микроскопии, рентгенофазового анализа. Также были исследованы магнитные свойства и люминесценция.

По данным рентгенофазового анализа наблюдается небольшое изменение параметров решетки, что свидетельствует о включении Co в структуру ZnO. Используя снимки растровой электронной микроскопии, можно сделать следующие выводы:

1. при температуре 120°С наноструктуры не образуются, при увеличении температуры до 240°С происходит образование наностержней
2. размеры стержней увеличиваются при увеличении времени синтеза и при уменьшении доли Co
3. при уменьшении доли Co стержни образуют более упорядоченные массивы

На спектре фотолюминесценции наблюдается сдвиг в ультрафиолетовой области на 10 нм. По данным магнитных исследований недопированный образец – диамагнетик. При допировании он становится парамагнетиком. Возможно также наличие ферромагнетизма, однако это требует дополнительных исследований, которые, параллельно с синтезом новых образцов, проводятся в настоящее время.

Перспективы использования, преимущества и недостатки

Прототипы квантовых компьютеров существуют уже сегодня. Правда, пока что экспериментально удается собирать лишь небольшие регистры, состоящие всего из нескольких квантовых битов. Группа, возглавляемая американским физиком И. Чангом (IBM), собрала 5-битовый квантовый компьютер. К сожалению, существующие квантовые системы еще не способны обеспечить надежные вычисления. Флуктуации напряжений на электродах, шумовые токи, неточности выполнения самих импульсных воздействий на кубиты в ходе вычислительного процесса - все это вносит неконтролируемые ошибки в фазы и амплитуды состояний кубитов в ходе вычислительного процесса. Однако физических запретов на построение эффективного квантового компьютера нет, необходимо лишь преодолеть технологические трудности.

Для того, чтобы снизить уровень шумов, что критически важно для нормальной работы квантового компьютера, первые модели, по всей видимости, придется охлаждать жидким гелием. Вероятно, первые квантовые компьютеры будут громоздкими и дорогими устройствами, не умещающимися на письменном столе и обслуживаемыми большим штатом системных программистов и наладчиков оборудования в белых халатах. Доступ к ним получат сначала лишь государственные структуры, затем богатые коммерческие организации. Но примерно также начиналась и эра обычных компьютеров.

Внедрение квантовых компьютеров не приведет к решению принципиально нерешаемых классических задач, а лишь ускорит некоторые вычисления. Кроме того, станет возможна квантовая связь - передача кубитов на расстояние, что приведет к возникновению своего рода квантового Интернета. Квантовая связь позволит обеспечить защищенное (законами квантовой механики) от подслушивания соединение всех желающих друг с другом. Ваша информация, хранимая в квантовых базах данных, будет надежнее защищена от копирования, чем сейчас. Фирмы, производящие программы для квантовых компьютеров, смогут уберечь их от любого, в том числе и незаконного, копирования.

Литература

1. Вестник РАН, 2000, т.70, N.8
2. K. Ueda, H. Tabata, T. Kawai, Magnetic and electric properties of transition metal doped ZnO films, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 988–990
3. H. Saeki, H. Tabata, T. Kawai, Magnetic and electrical properties of Vanadium doped ZnO films, Solid State Commun. 120 (2001) 439–443
4. S.-J. Han, J.W. Song, C.-H. Yang, S.H. Park, J.-H. Park, Y.H. Jeong, K.W. Rhie, A key to room temperature ferromagnetism in Fe-doped ZnO:Cu, Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 4212–4214
5. Y.M. Cho, W.K. Choo, H. Kim, D. Kim, Y.E. Ihm, Effect of rapid thermal annealing on the ferromagneticproperties of sputtered Zn_1-x (Co_0,5Fe_0,5) thin films, Appl. Phys. Lett. 80 (2002) 3358–3360
6. M. Huang, S. Mao, H. Feick, N. Tran, E. Weber, P. Yang, Catalytic growth of zinc oxide nanowires by vapor transport, Adv. Mater. 13 (2001) 113–116
7. T.Y. Kim, J.Y. Kim, M.S. Kumar, E.K. Suh, K.S. Nahm, Influence of ambient gases on the morphology and photoluminescence of ZnO nanostructures synthesized with nickel catalyst, J. Cryst. Growth 270 (2004) 491–497
8. W.I. Park, D.H. Kim, S.W. Jung, G.C. Yi, Metalorganic vapor-phase epitaxial growth of vertically well-aligned ZnO nanorods, Appl. Phys. Lett. 80 (2002) 4232–4234
9. T. Okada, K. Kawashima, Y. Nakata, X. Ning, Synthesis of ZnO nanorods by laser ablationof ZnO and Zn targets inHe and O₂ background gas, Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) 681–691
10. Y.W. Heo, M. Kaufman, K. Pruessner, D.P. Norton, F. Ren, M.F. Chisholm, P.H. Fleming, Optical properties of Zn_1-xMg_xO nanorods using catalysis-driven molecular beam epitaxy, Solid State Electron. 47 (2003) 2269–2273