Новости: Перст

Спин-орбитальные кубиты

Хотя возможность управления электронными спиновыми кубитами с помощью локальных переменных магнитных полей и была продемонстрирована экспериментально, такой способ контроля кубитов оказался не очень эффективным как из-за сложности его технической реализации, так и по причине сравнительно большого времени, требующегося при этом для “поворота” кубита (не намного меньшего времени декогерентизации). В работе [1] сильное спин-орбитальное взаимодействие в квантовых точках InAs (см. рис.) использовано для операций со спиновыми кубитами посредством только электрических полей.

Дело в том, что из-за наличия такого взаимодействия ни спиновые, ни орбитальные состояния электрона в квантовой точке нельзя рассматривать по отдельности: они “перемешаны”. Воздействие электрического поля на орбитальную компоненту полной спин-орбитальной волновой функции электрона приводит к соответствующему изменению ее спиновой составляющей. Время сохранения спиновой когерентности оказалось, к сожалению, не очень велико (несколько десятков наносекунд), что авторы [1] связывают с взаимодействием электронных и ядерных спинов и/или влиянием парамагнитных примесей. Тем не менее, этого времени вполне достаточно для, например, преобразования электронного кубита в фотонный “летящий” кубит и передачи таким образом квантовой информации на большие расстояния.

1. S.Nadj-Perge et al., Nature 468, 1084 (2011).

Спиновые кубиты в твердом теле: наука о выживании

В долгосрочной перспективе твердотельные квантовые компьютеры представляются гораздо более перспективными, чем, например, устройства на основе фотонов или атомов/ионов в магнитной ловушке, главным образом – из-за их масштабируемости. Но квантовые биты (кубиты) в твердом теле так сильно взаимодействуют со своим окружением, что управлять ими становится чрезвычайно сложно. Более того, это взаимодействие приводит к очень быстрой потере когерентности (для спиновых кубитов – за времена t = 10 ÷ 100 нс, а для зарядовых – еще быстрее). В принципе, с декогерентизацией можно бороться, используя известные методы коррекции квантовых ошибок. Однако и они не панацея, поскольку работают лишь в том случае, когда вероятность ошибки при выполнении одной операции не превышает 10^-4, то есть величина t должна быть достаточно велика. Оказывается, что эффекты декогерентизации можно если и не полностью подавить, то существенно ослабить, используя методику, аналогичную спиновому эхо в ЯМР и заключающуюся в воздействии на кубиты последовательностью p-импульсов – так называемое “динамическое расцепление” (dynamical decoupling). Сразу четыре группы [1-4] независимо друг от друга реализовали эту методику в экспериментах со спиновыми кубитами в квантовых точках GaAs [1,2] и NV-центрах в алмазе [3,4]. Результаты, прямо скажем, впечатляют. Так, например, в [1] удалось повысить t сразу от ~ 20 нс до ~ 200 мкс. Точность осуществления квантовых операций (пока – однокубитных) при этом резко возросла. На очереди – двухкубитные операции, без которых при квантовых вычислениях не обойтись. Пока для них вероятность ошибки недопустимо велика (~ 10^-1), даже с динамическим расцеплением. Борьба за жизнь спиновых кубитов в твердом теле продолжается….

По материалам заметки
M.J.Reilly, Nature Nanotech. 6, 9 (2011).

1. H.Bluhm et al., http://arxiv.org/abs/1005.2995 (2010).
2. С.Barthel et al., http://arxiv.org/abs/1007.4255 (2010).
3. С.A. Ryan et al., Phys. Rev. Lett. 105, 200402 (2010).
4. G. de Lange et al., Science 330, 60 (2010).

Углеродные нановолокнистые мембраны для фильтрации и сепарации наночастиц

Мембраны из волокнистых материалов имеют высокую удельную поверхность и пористость, обладают гибкостью и могут эффективно использоваться для фильтрации и сепарации газов и жидкостей, в том числе для очистки воды. Наиболее часто волокна получают с помощью электроспиннинга, то есть вытягивания волокна из жидкости под действием электрического поля (см., например, [1]). Такие волокнистые материалы могут обеспечить удаление микрочастиц, но не наноразмерных примесей, поскольку поры в них довольно больших размеров.

Недавно исследователи из Univ. of Science and Technology, Hefei (Китай) создали новые фильтрационные мембраны из углеродных нановолокон (УНВ) [2]. Эти мембраны отличаются очень узким распределением пор по размерам и способны эффективно удалять наночастицы из растворов. Мембраны достаточно прочные и гибкие (рис.2).

Меняя диаметр волокон, можно с высокой точностью регулировать пороговый размер пропускаемых частиц. Следовательно, такие мембраны годятся не только для очистки воды. Их можно применять для выделения из смеси частицы одного определённого размера (в диапазоне от десяти до нескольких сотен нм). А это очень важно для применения наночастиц в электронике, биомедицине и др.

Для получения УНВ исследователи с небольшими изменениями использовали методики [3,4], использующие нанопроволочки теллура. Схему синтеза можно упрощенно представить следующим образом. (рис. 3).

На первом этапе синтезируют ультратонкие длинные Те-нанопроволочки [3]. В процессе так называемой гидротермальной карбонизации из них и глюкозы образуются нанокабели Te@C [4]. При протравливании в 5% растворе H₂O₂ удаляется Те сердцевина, и формируются длинные углеродные волокна определённого диаметра. Так, из 0.03 ммоль Те-проволочек и 1.5 г глюкозы при 160^оС авторы [2] получили волокна диаметром 37, 50, 71, 98, 132 и 195 нм при длительности синтеза 12, 18, 24, 36, 48 и 60 часов, соответственно. Изображения некоторых из них представлены на рис. 4

Мембраны получали в процессе самосборки волокон при испарении растворителя (суспензию волокон в этаноле наносили на тефлоновую подложку методом полива и высушивали при комнатной температуре). Материал легко отделяется от подложки; он очень гибкий и достаточно прочный. При диаметре волокна > 40 нм мембрана выдерживает высокое давление. Изображения поверхности одного из образцов, полученные на сканирующем электронном микроскопе (SEM) при двух разных увеличениях приведены на рис. 5. Толщина мембраны зависит от концентрации и объема УНВ–суспензии. Для испытаний авторы [2] сделали круглые мембраны диаметром 5 см и толщиной 10 мкм..

Все полученные мембраны обладают гидрофильностью, что обеспечивает высокий поток. Например, при перепаде давлений 80 кПа поток для УНВ-71 равен 5500 л/ч·м², а для коммерческой мембраны Isopore™ с близким пороговым размером (50 нм), которую исследователи тестировали для сравнения, поток на порядок ниже - 480 л/ч·м². Более того, мембрана Isopore™, в отличие от УНВ-71, не способна эффективно разделять 25 и 60 нм частицы Au. Новые мембраны обеспечивают высокий поток в сочетании с высокой селективностью. Авторы проверили, можно ли с их помощью разделять наночастицы разного размера. Водный раствор со смесью 5 нм (93.6%) и 25 нм частиц (6.4%) Au они пропустили через УНВ-50 и получили на выходе раствор, содержащий более 99% 5 нм частиц! Концентрация 25 нм частиц в отсечённой фракции выросла до 65.5%, а после повторной фильтрации достигла 91.4% (рис. 7)

Исследователи успешно разделили и другие бинарные смеси наночастиц и провели первые опыты по разделению тройных смесей.

Эксперименты убедительно доказали, что новые мембраны способны фильтровать и сепарировать наночастицы в растворах. Мембраны – очень гибкие, механически прочные и могут применяться даже при высоких давлениях. Пористая структура нановолокнистого материала и гидрофильность обеспечивают высокий поток, очень узкое распределение нанопор по размерам даёт высокую селективность. Пороговый размер легко регулировать, меняя диаметр волокна. Вполне вероятно, что такие мембраны найдут применение для сепарации других микро - и нанообъектов, например вирусов, бактерий, полимеров. Пожалуй, единственным недостатком, как признают и сами авторы, является использование в синтезе Те-нанопроволочек. Если не найти им более дешёвой замены, вряд ли можно будет ожидать массового производства мембран. Перспективные кандидаты – природные нановолокна, например, длинные, тонкие, прочные микрофибрилы целлюлозы, которые находятся в клеточных стенках растений. Их можно выделять из биомассы, из древесины [5]. Авторы статьи [2] начали работу над таким вариантом синтеза УНВ.

О.Алексеева

1. ПерсТ. 15, вып. 23, с. 5 (2008).
2. H.-W. Liang et al., Adv. Mater. 22, 4691 (2010).
3. H.-S. Qian et al., Langmuir 22, 3830 (2006).
4. H.-S. Qian et al., Chem. Mater. 18, 2102 (2006).
5. K. Abe et al., Biomacromolecules 8, 3276 (2007)

Графен: крутой поворот в магнитооптике

Графен не перестает удивлять исследователей своими свойствами, опровергая устоявшиеся представления в физике твердого тела. Такой сюрприз ожидал группу ученых из Швейцарии и Германии, изучавшую с помощью оптических методов особенности динамики электронов и дырок в графене, помещенном в магнитное поле [1]. В качестве измеряемой характеристики они выбрали угол вращения плоскости поляризации света (магнитооптический эффект Фарадея). В обычных магнитооптических материалах, угол фарадеевского вращения пропорционален оптическому пути и составляет единицы градусов на длине порядка десяти микрон. Каково же было изумление ученых, когда обнаружилось, что поворот плоскости поляризации инфракрасного излучения на одном лишь атомном слое графена составляет внушительные 6 градусов!(см. рис. 8)

Гигантский эффект Фарадея авторы работы [1] связывают c циклотронным резонансом: в магнитном поле электроны начинают двигаться по круговым орбитам. Подобное явление наблюдается в двумерных электронных газах, реализующихся в полупроводниковых гетероструктурах, однако те же углы фарадеевского вращения набираются светом при прохождении сквозь слой, в десятки раз превышающий по толщине графен. Здесь сказывается специфика дисперсионных свойств электронов в графене: они ведут себя как безмассовые частицы (дираковские фермионы), скорость которых не зависит от энергии, что проявляется и в неэквидистантном расположении уровней Ландау, переходы между которыми определяют частоты циклотронного резонанса и влияют на прохождение поляризованного света.

У графена есть еще одно преимущество перед полупроводниковыми конкурентами - его степень легирования и даже тип проводимости могут изменяться под действием электрического поля, что позволяет не только перестраивать частоту циклотронного резонанса, но и переключать знак эффекта. Это позволит создавать миниатюрные невзаимные оптические элементы (устройства, пропускающие свет в одном направлении и не пропускающие в противоположном). Они будут переключаться с частотой, недостижимой для ныне используемых ячеек Фарадея, управляемых инерционными и громоздкими катушками индуктивности. Возможность управления с помощью электрического поля компенсирует также и тот недостаток, что углы вращения в несколько градусов наблюдаются в графене при достаточно больших полях (единицы и десятки Тесла). Теперь для создания магнитного поля можно использовать не потребляющие энергию постоянные магниты, а перестройку характеристик элемента осуществлять электрическим полем.

Однако проблемы еще остаются. В частности, для создания дисплеев желательно получать угол вращения 90 градусов. Эффект Фарадея от многослойного графена, как показано все в той же работе [1], не является простой суммой эффектов в каждом слое и может быть даже меньше, чем в монослое.

А.Пятаков

1. I.Crassee et al., Nature Phys. 7, 48 (2011).

На краю графена

Характеристики многих наноразмерных устройств очень чувствительны к локальной конфигурации атомов, поэтому чрезвычайно важным становится анализ электронных состояний наноструктур на атомном масштабе. Так, например, электрические свойства графеновых нанолент определяются не только их шириной, но и формой границ (“кресельные” или зигзагообразные). Информацию о структуре этих границ дают просвечивающая электронная и сканирующая туннельная микроскопия, тогда как их электронные свойства до сих пор не удавалось изучить с атомарным разрешением. В работе японских физиков [1] этот пробел удалось восполнить, используя сканирующую просвечивающую электронную спектроскопию и анализ тонкой структуры спектров поглощения электронов отдельными атомами. Исследование монослоя графена показало, что спектры атомов, расположенных вдали от границы (имеющих по три ближайших соседа и sp²-гибридизованные орбитали), отличаются от спектров граничных атомов, которые, в свою очередь, тоже имеют разный вид для атомов с одним и двумя соседями (см. рис. 9).

Интересно, что при отходе от границы спектры меняются не резко: существует переходная область шириной около 1.5 нм, в которой наличие границы еще сказывается на электронных состояниях (а значит – и на межатомных связях). Это важно для понимания свойств очень узких графеновых нанолент. Использованная в [1] методика пригодна для изучения локальных электронных характеристик не только твердотельных наноструктур, но и отдельных молекул.

1. K.Suenaga, M.Koshino, Nature 468, 1088 (2010).

Транзистор на спиновом эффекте Холла

Исследования по таким направлениям полупроводниковой спинтроники, как спиновый транзистор и спиновый эффект Холла до сих пор проводились независимо друг от друга [1]. В работе [2] (Великобритания, Чехия, США) они объединены воедино: из гетероструктуры AlGaAs/GaAs изготовлен спиновый транзистор, в котором для регистрации спинового тока использован эффект Холла, опять же спиновый. Инжекция спинов осуществлялась путем воздействия сфокусированного поляризованного лазерного излучения (то есть без ферромагнитных контактов), а их прецессия, индуцированная спин-орбитальным взаимодействием, контролировалась электрически посредством управляющих электродов. Открытие и закрытие канала для спинового тока имело место при напряжении менее 1 В. Для канала с двумя электродами была, в частности, реализована логическая операция AND. Хотя в [2] представлены результаты, полученные при T = 4 К, авторы утверждают, что их устройство работает и при более высоких температурах.

1. I. Žutić et al., Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004).

2. J.Wunderlich et al., Science 330, 180 (2010).

Новые мечты о настольном синхротроне

Рентгеновское синхротронное излучение (СИ) однозначно доказало свое преимущество перед излучением из рентгеновских трубок по своим возможностям в многочисленных областях науки и производства. Однако необходимость строить специальные ускорители для получения СИ резко ограничивает число потенциальных пользователей по сравнению с достаточно дешевыми рентгеновскими трубками. Попытки заполнить диапазоны между трубками и ускорителями в виде создания компактного и относительно недорогого “настольного” синхротрона предпринимались не один раз (см. ПерсТ [1]). Благодаря прогрессу ускорительной и лазерной техники возникла реальная возможность создания лазерно-электронного генератора СИ, в котором используется компактный сильноточный электронный ускоритель и лазер, испускающий интенсивные световые импульсы (см. обзор [2]). Само излучение возникает вследствие рассеяния фотонов на электронном пучке (комптоновское или томсоновское рассеяние). В недавней работе [3] международная группа из Англии, Франции, Португалии и США продемонстрировала работу подобного источника с перестройкой СИ в диапазоне 1-100 кЭВ с яркостью в 1000 раз большей, чем у предшественников. Правда, чтобы назвать такую машину настольной, требуется ну очень большой стол (~100 м²). Сравнительные характеристики различных источников СИ приведены в таблице.

Согласно [2], характеристики излучения лазерно-ускорительного генератора создают хорошую перспективу для его оснащения многофункциональным оборудованием, позволяющим реализовать в одном центре многие методы по исследованию рентгеновских спектров и рентгеновского рассеяния.

Характеристики различных источников рентгеновского излучения (все числа приблизительные) см. Рис. 10.

С.Овчинников

1. ПерсТ 11, вып. 9, c. 5 (2004).
2. И.А.Артюков и др., Препринт НИИЯФ МГУ № 7/806 (2006); http://dbserv.sinp.msu.ru: 8080/sinp/files/pp-806.pdf
3. S.Kneip et al., Nature Phys. 6, 980 (2010).

Ионная диффузия в плотноупакованном комплексе из углеродных нанотрубок

В этом году исполняется двадцать лет с момента открытия новой аллотропной формы углерода – столь популярных теперь углеродных нанотрубок. В ноябре далекого 1991 в Nature появилась статья S. Iijima о первом синтезе этих уникальных объектов наномира [1]. И с тех пор интерес к углеродным нанотрубкам не угасает, а Iijima, теперь уже возглавляя целый исследовательский центр в Цукубе (Nanotube Research Center), продолжает публиковать интересные работы. В центре внимания одной из последних статей [2], где он выступает соавтором, оказался пористый наноматериал, полученный из распрямленных одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ). Из него были изготовлены электроды электрохимических конденсаторов, т.е. устройств, где накопление заряда происходит в двойном электрическом слое на границе электронного проводника и электролита. За счет улучшенного ионного транспорта такие электроды оказываются гораздо более эффективными, чем, ставшие уже традиционными, электроды из активированного углеродного волокна (АУ-электроды).

Сами образцы представляли собой плотноупакованный комплекс (плотность = 0.5 г/см³), состоящий из одностенных нанотрубок со средним диаметром 2.6 нм (рис. 11), выстроенных вдоль выделенного направления. Расстояние между нанотрубками по результатам рентгеновской дифракции варьировалось от 4 до 16 нм, а эффективный диаметр пор между упакованными ОУНТ составил около 3 нм. Данные комплексы использовались авторами в качестве мембран между отсеками электролита и растворителя (см. вставку на рис. 12), а ионная проводимость измеряли на отсеке растворителя и переводили в концентрацию с помощью калибровочной кривой. Для расчета коэффициента диффузии использовали первый закон Фика. Для сравнения, авторы провели соответствующие измерения для коммерческих АУ-электродов, отметив, что их плотность соответствует плотности ОУНТ комплексов.

На рис.12 показаны полученные зависимости нормированной концентрации от времени для ОУНТ образцов с параллельной и перпендикулярной ориентацией, а также для АУ-электродов. В результате оказалось, что коэффициент диффузии в параллельном направлении в 12 раз выше, чем в перпендикулярном (1´10^–5 см²/с против 8´10^–7 см²/с) и в 20 раз выше, чем у коммерческих образцов (5´10^–7 см²/с). В дальнейшем авторы исследовали влияние анизотропии диффузии непосредственно на электрохимическом конденсаторе: в качестве электродов использовали ОУНТ образцы, как в параллельной, так и в перпендикулярной конфигурации. Как и ожидалось, более высокий максимум мощности достигался при параллельной конфигурации образца: 3 кВт/кг против 1.85 кВт/кг для перпендикулярной. Авторы уверены, что проведенные ими исследования доказывают, что дальнейшее наращивание мощности электрохимических конденсаторов возможно при правильном выборе конфигурации электродов, т.е. выровненные УНТ электроды должны быть ориентированы параллельно основному направлению ионного транспорта. Вполне возможно, что в скором времени электроды на основе углеродных нанотрубок составят достойную конкуренцию уже существующим альтернативам.

М.Маслов

1. S.Iijima, Nature 354, 56 (1991).

2. A.Izadi-Najafabadi et al., J. Am. Chem. Soc. 132, 18017 (2010).

Электроды для газового разряда на основе углеродных нанотрубок

Электроды на основе углеродных нанотрубок (УНТ) хорошо себя зарекомендовали в вакуумных приборах с холодными полевыми катодами. Это связано с хорошей электропроводностью УНТ, а также с их высоким аспектным отношением (отношение длины к диаметру), благодаря которому достигается значительное усиление электрического поля вблизи наконечника нанотрубки. Использование катодов на основе УНТ в газоразрядных устройствах наталкивается на проблему, связанную с ионной бомбардировкой поверхности нанотрубок, приводящей к их быстрому разрушению. Однако прежде чем приступить к преодолению этой трудности, необходимо располагать количественными данными о преимуществах использования катода на основе УНТ перед стандартным вольфрамовым катодом, имеющим форму конуса. Такие данные были получены в Shizuoka Univ. (Япония) [1].

В качестве исходного катода использовался W конус в форме заточенного карандаша, полученный в результате химического травления W проволоки диаметром 30 мкм. Радиус кривизны наконечника конуса составлял 100 нм. На вершину этого конуса с помощью магнетронной напылительной установки в течение 40с напыляли частицы никеля, используемые в качестве катализатора роста УНТ. Синтез многослойных УНТ проводили на подготовленной таким образом поверхности с использованием метода CVD в потоке NH₃ и С₂Н₂ (соотношение 3:1 при полном давлении 30 Торр и температуре 900^оС). С целью обеспечения вертикальной ориентации УНТ относительно поверхности подложки синтез проводился под действием электрического напряжения (100 В), прикладываемого к вспомогательному титановому электроду, расположенному на расстоянии 2 мм от катода. При продолжительности синтеза от 5 до 15 мин от поверхности катода отрастали нанотрубки диаметром 50 – 100 нм и длиной около 15 мкм. В качестве анода использовали плоскую стальную пластину, отстоящую от катода на расстояние 80 мкм. Для оценки коэффициента усиления электрического поля для W катода и катода на основе УНТ в условиях вакуума (10^-6 Торр) были измерены эмиссионные вольт-амперные характеристики катодов. Обработка результатов этих измерений позволила определить значения коэффициента усиления поля β, оказавшиеся равными 60 и 960, соответственно. Такая большая разница обусловлена различием в величинах аспектного отношения для двух структур катода.

Затем измеряли вольт-амперные характеристики разряда в атмосфере различных газов (He, Ar, H₂, N₂, воздух, O₂, NH₃) при давлении 10 Торр. Результаты измерений указывают на существенное улучшение характеристик разряда в случае покрытия поверхности катода нанотрубками. Так, в атмосфере Не такая модификация сопровождается снижением напряжения зажигания разряда с 230 до 181 В и увеличением разрядного тока с 12 до 20 мкА. Аналогичная закономерность наблюдается в случае заполнения межэлектродного промежутка другими газами, хотя абсолютные величины напряжения зажигания и величины разрядного тока зависят от типа газа.

Характер деградации катода на основе УНТ изучали в циклическом режиме при наложении на анод пилообразного напряжения. Результаты выполненных измерений указывают на незначительное (на уровне 4%) увеличение напряжения зажигания разряда в аргоне после 300 импульсов длительностью в несколько десятков секунд каждый. Наряду с этим отмечается примерно 10%-ное снижение разрядного тока. Несмотря на указанные тенденции, параметры разряда с УНТ катодом остаются существенно более высокими по сравнению с чисто W катодом, что указывает на высокую эффективность использования нанотрубок в катоде газового разряда.

А.Елецкий

1. D.Liang et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 43, 275202 (2010).

ПОЛНОСТЬЮ ВСЕ МАТЕРИАЛЫ ВЫ МОЖЕТЕ ПРОЧИТАТЬ НА САЙТЕ "ПЕРСТА" (РНЦ КИ).