
Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362
.pdf
ГЛАВА 10 Коммуникации
молекул, химические свойства, методы наносборки и наноупаковки. Архитектура молекул связана со сложными задачами определения
их взаимодействия и роли: переключателя, транзистора или более сложного устройства, например логического или арифметического
элемента. Если какое то электронное устройство (скажем, транзи стор) удастся уменьшить до величины молекулы, будет совершен
переход от микро к наноэлетронике.
Известно, что в одной молекуле сосредоточено достаточно «кван
товых ресурсов» для интеграции нескольких функций. Чтобы во плотить эти идеи на практике, ученые стремятся подобрать подхо дящие молекулы, установить параметры их работы и оптимальную архитектуру.
Квантовые коммуникации
Как уже упоминалось в главе 9, для создания новых коммуни кационных систем ученые пытаются использовать квантовое запу
тывание. Оказывается, что на основе одного высокоэнергетичного
фотона можно получить два фотона с меньшей энергией, которые будут квантово запутанными.
Квантовое запутывание возникает, когда разные фотоны не удается описать отдельно, поскольку измерение характеристик одного из них оказывает влияние на другой.
Поведение таких квантово запутанных фотонов является связан |
|
ным, и именно эта особенность лежит в основе квантового принципа |
|
передачи информации между двумя удаленными местами, то есть в |
|
основе квантовой телепортации. Потрясающие усовершенствова |
|
ния экспериментальных методов и инструментов позволяют ученым |
|
выполнять квантовые эксперименты с удивительными результатами |
|
для науки, промышленности и бизнеса. |
|
Потенциал квантового запутывания начал оцениваться по до |
|
стоинству только недавно, поскольку раньше его просто не уда |
|
валось наблюдать, анализировать и использовать. На самом деле |
|
квантовое запутывание может стать основой безопасной (кванто |
|
вой) криптографии, вычислительных алгоритмов и квантовой теле |
|
портации. |
|
Измерения квантовых систем позволят отправлять секретную ин |
|
формацию с помощью сигнального пучка, а адресат сможет расшиф |
|
ровать ее с помощью другого квантово запутанного приемного пучка. |
213 |

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
Такая передача абсолютно неуязвима для перехвата, поскольку рас шифровать ее смогут только обладатели передаваемого и принимае мого пучка. Злоумышленник не имеет приемного пучка и не сможет
расшифровать передаваемую информацию. А если он даже попыта ется это сделать, то получатель легко об этом догадается, поскольку любое вмешательство изменит сигнальный пучок.
Этот невероятно быстрый способ передачи информации и чрезвы
чайно высокая степень миниатюризации компьютерных компонентов достигли точки, в которой для описания базовых вычислений ученым неизбежно приходится использовать законы квантовой механики. На наномасштабном уровне необходимо переписать даже теоретические
основы компьютерных вычислений.
СПИН
Квантовые компьютеры способны обрабатывать и сохранять
огромные объемы информации, что не под силу обычным совре
менным компьютерам. Дело в том, что квантовые компьютеры спо собны обрабатывать данные в параллельном режиме. Современные компьютеры содержат последовательно работающие микропроцес соры и вынуждены последовательно (одну инструкцию за другой)
обрабатывать все операции компьютерного моделирования, шиф
рования или передачи данных. Квантовые вычисления благодаря параллельности могут выполняться в миллионы и даже миллиарды раз быстрее, чем вычисления в современных последовательных су перкомпьютерах.
Исследователи квантовых вычислений вторгаются в совершенно
новую область квантовомеханических законов. Становится возмож
ным решение таких вычислительных задач, которые раньше счита лись практически неразрешимыми, например расшифровка «сверх
сложных» шифров, генерация истинно случайных чисел и абсолютно защищенных коммуникаций на основе квантового запутывания.
В квантовых вычислениях используются квантовые свойства, на
пример спин электрона. Спин — это чрезвычайно загадочная харак теристика элементарной частицы, которая может принимать значе
ния –1/2 или 1/2. С точки зрения компьютерных вычислений, эти значения могут соответствовать 0 и 1, то есть допустимым значениям
бита — элемента компьютерной информации. Таким образом, спин
электрона может стать основой единицы информации, для кото
рой в квантовых вычислениях принято использовать термин кубит
214 (qubit).

ГЛАВА 10 Коммуникации
Методы сохранения и передачи информации на основе спина |
|
электрона чрезвычайно сложны, поскольку значение спина неизвест |
|
но до его измерения. |
|
Как уже упоминалось в главе 8, спин электрона взаимодейству |
|
ет со светом, и характер взаимодействия зависит от длины волны |
|
света и его поляризации. Изумительный факт, что спин электрона |
|
неизвестен до его измерения, можно использовать для выполнения |
|
двух операций одновременно для состояний 0 и 1. Более того, ку |
|
биты можно связать вместе так, чтобы изменение состояния одного |
|
приводило к цепной реакции, как в последовательности падающих |
|
костяшек домино. |
|
В простейшем случае два кубита могут иметь четыре различные |
|
конфигурации: (00), (01), (10) и (11). Математические операции с |
|
кубитами можно использовать для операций сразу с четырьмя раз |
|
ными состояниями. Это свойство снова возвращает нас к теме кван |
|
тового запутывания. |
|
Подобные манипуляции с кубитами и спинами не только ускоря |
|
ют компьютеры и коммуникации, но и делают возможными вычисле |
|
ния, которые ранее казались практически невозможными, поскольку |
|
требовали миллиардов лет работы самых мощных компьютеров. Бла |
|
годаря квантовым вычислениям можно будет добиться фантастиче |
|
ских успехов в работе с базами данных и обеспечении безопасности |
|
зашифрованных данных. |
|
Следует иметь в виду, что квантово запутанные электроны и их |
|
свойства очень уязвимы. Любое взаимодействие с окружающей сре |
|
дой (например, попадание фотона или тряска) могут нарушить их |
|
запутанность, и это явление называется декогеренцией. При наличии |
|
декогеренции в квантовых вычислениях возникает ошибка. |
|
Недавно исследователи начали изучать методы исправления по |
|
добных квантовых ошибок, и их некоторые варианты уже предложе |
|
ны учеными компании Bell, Оксфордского университета (Великобри |
|
тания), Университета Торонто (Канада), Национальной лаборатории |
|
Лос Аламос (США) и Принстонского университета (США). Основ |
|
ной задачей является сохранение квантовой системы в когерентном |
|
состоянии, то есть ее следует изолировать от взаимодействия с окру |
|
жающей средой. Сложность задачи создания квантового компьюте |
|
ра заключается в обеспечении сильного внутреннего взаимодействия |
|
и исключении внешнего воздействия. |
|
Для стабилизации кубитов необходимо выполнить еще очень |
|
много масштабных исследований. В настоящее время декогеренция |
215 |

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
возникает после выполнения около 1000 операций. Для передачи данных это неприемлемо высокая частота ошибок, однако исполь
зование новых наноматериалов и наносистем (например, квантовых точек, описанных в главе 8) поможет решить эту задачу.
Атомарное позиционирование
Для передачи и обработки данных с помощью молекул необходи мо достичь высокой точности размещения и сборки атомов, молекул и нанопроводов, то есть точнее, чем 0,1 нм.
Для тонкой настройки и стандартизации сборочных специфи
каций на наномасштабном уровне и связи с макроскопическим уровнем необходимо разработать и утвердить пошаговые методы
иинструкции. Для достижения этой цели нужно добиться высо кой точности движений. Действительно, атомарное позициониро
вание является совершенно новой и очень бурно развивающейся
областью исследований. Эта область охватывает методы передачи данных от молекулы, расположенной на металлической поверхно сти, к молекуле на полупроводящей поверхности с последующей передачей более крупному внешнему контакту. Специалисты мно
гих областей науки (физика, химия, механика и материаловедение)
тесно сотрудничают для решения подобных задач компьютерной молекулярной инженерии.
Создание молекулярной электрической или логической схемы — большая проблема не только для наномасштабных коммуникаций, но
идля наномасштабной химии. Ученым необходимо подобрать моле
кулы, которые были бы надежными элементами схемы, но не стали
бы источником помех для выполнения квантовых вычислений. Например, исследования молекулярной схемы с помощью ска
нирующего туннельного микроскопа могут оказать разрушительное влияние на саму схему. Для обеспечения структурной стабильности молекулярной схемы химикам нужно найти химические соединения,
которые обеспечивали бы надежное взаимодействие между молеку лярными компонентами схемы. В настоящее время на эту роль пре
тендуют концевые группы типа тиолей, то есть органические соеди нения, содержащие серу. Этот процесс нельзя назвать чрезвычайно простым, а потому ученые стремятся найти более эффективные ме
тоды.
Сборка молекулярных схем с наномасштабной точностью нахо дится на начальном этапе своего развития. Ученые надеются, что
216 в конечном итоге удастся обнаружить методы самосборки элемен

ГЛАВА 10 Коммуникации
тарных структур и их соединений. Только после этого полученные объекты можно будет применять на практике и перенести из лабора
торий в промышленность.
Грядущий «нанотехнологический век» дает нам возможность ис
следовать новые свойства материалов на наномасштабном уровне и использовать их в более крупных продуктах. Связанные с ними ин
струменты помогут контролировать атомарные и электронные струк туры, характеризовать наномасштабные материалы, структуры и свойства, а также наблюдать и анализировать процессы на несколь ких масштабных уровнях — от нано до макро.
Кнастоящему времени химики добились значительных успехов
всинтезе, анализе и моделировании наноструктурных материалов на основе полупроводников. Однако мириады комбинаций других материалов вскоре могут стать основой для создания еще большего количества наноматериалов будущего.
Влияние размеров
Как уже не раз говорилось ранее, изменение размера материала |
|
часто приводит к качественному изменению его свойств. Например, |
|
если размеры частицы становятся сравнимыми с длиной волны фо |
|
нона (кванта колебательной энергии), в ней могут возникать новые |
|
режимы передачи тепла и электричества. Такие наблюдения были |
|
сделаны в начале 1980 х гг. при изучении обычных токов в металли |
|
ческих кольцах и сверхпроводящих углеродных нанотрубок. Новые |
|
свойства материалов также удалось наблюдать при облучении светом |
|
квантовых точек. |
|
Термодинамические и электромагнитные свойства тоже суще |
|
ственно меняются при уменьшении размеров структуры до наномас |
|
штабного уровня. Системы с размерами от нескольких десятых на |
|
нометра до десятков нанометров находятся на неосязаемой границе |
|
между квантовым и обычным миром. |
|
В настоящее время достижения в области хранения информа |
|
ции стимулировали интенсивные научные исследования в области |
|
наномасштабного магнетизма. Сложные молекулы порой обладают |
|
необычными магнитными свойствами. Например, ученым компании |
|
IBM удалось усовершенствовать методы магнитно резонансной ви |
|
зуализации и измерить слабый сигнал одного единственного элек |
|
трона. Этот результат имеет колоссальное значение для создания |
|
микроскопа, способного визуализировать трехмерную структуру мо |
|
лекул с атомарным разрешением. С помощью такого инструмента |
217 |

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
можно будет с большей точностью изучать самые сложные мате риалы, например белки, катализаторы, молекулярные схемы и т. п.
Точное определение расположения атомов в наноэлектронных схе мах упростит работу проектировщиков и создателей молекулярных
схем, повысит их эффективность и производительность. Кроме того, создание схем на основе спинов, а не зарядов, откроет новый путь
развития электроники (а точнее, спинтроники) на основе магнитных
наноструктур.
Изменения структурной прочности, адгезионных и гидродинами ческих свойств наномасштабных элементов способствуют появлению новых методов проектировки и создания наноустройств. Однако ра бота на этом масштабном уровне связана с некоторыми неудобства
ми. Дело в том, что нежелательные эффекты в наномасштабе так
же усиливаются. Например, механическое влияние, поверхностное натяжение, диффузия и коррозия существенно возрастают (отчасти из за более высокого отношения поверхность/объем). Даже пробле мы нагрева имеют гораздо большее значение для наномасштабных
устройств, чем для их более крупных аналогов.
ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕННОГО МАСШТАБА
Свойства материалов меняются с уменьшением их размера. А что происходит с временным масштабом наноскопических процессов? Изменение масштаба длины неразрывно связано с изменением мас
штаба времени процессов. Всем понятно, что ужин из пяти блюд
длится дольше, чем полдник из пяти печений.
С научной точки зрения, это очевидно. Для перемещения объекта
на меньшее расстояние с той же скоростью (например скоростью све та для фотонов) требуется меньше время. Однако не все так просто,
и ученым нужно учитывать множество других эффектов, например, связанных с увеличением поверхности.
Для изучения уникальных свойств крошечных наноматериалов
потребовалось создать множество совершенно новых инструментов (например атомный силовой микроскоп). Потребуется изобрести и
совершенно новые инструменты для изучения быстропротекающих квантовых процессов.
Нанооптика
|
Нанооптика охватывает процессы взаимодействия света с части |
|
цами, размеры которых гораздо меньше, чем длина волны света. |
218 |
Ученым удалось обнаружить, что под воздействием света наночасти |

ГЛАВА 10 Коммуникации
цы колеблются с оптической частотой и взаимодействуют как элек тромагнитные волны.
Плазмон — квазичастица, соответствующая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа.
Когда свет рассеивается на атомах и молекулах, большинство
фотонов упруго отражается от них. Именно это явление получило название рамановское рассеяние (Raman scattering). Рассеянные фотоны обладают той же энергией (частотой) и длиной волны, что и окружающие их фотоны.
Рамановское рассеяние — это рассеяние света в газах, жидкостях и кристаллах, сопровождающееся заметным изменением его частоты.
Однако небольшая часть света (около 1%) рассеивается с опти
ческими частотами, которые меньше частоты окружающих фотонов. В газах рамановское рассеяние приводит к изменению колебательной или вращательной энергии.
Эффект усиленного поверхностного рамановского рассеяния
(УПРР) используют в золотой или серебряной подложке. Серебро
и золото легко возбуждаются лазером, а результирующие электриче ские поля вызывают рамановское рассеяние в окружающих молеку лах. Используя это явление, ученые могут анализировать и изучать химические связи внутри молекул.
КВАЗИЧАСТИЦА |
|
В квантовой механике возбужденное состояние системы (на |
|
пример атома, молекулы или ядра) означает любое квантовое со |
|
стояние, при котором энергия больше, чем в основном состоянии, |
|
то есть состоянии с минимально возможной энергией. Например, |
|
основным состоянием атома водорода является состояние, в котором |
|
его единственный электрон обладает минимальной энергией. После |
|
получения некоторой дополнительной энергии электрон переходит в |
|
возбужденное состояние. Если электрон получает достаточно много |
|
энергии, он может покинуть атом, и такой атом называется ионизи |
|
рованным. |
|
Элементарное возбуждение — это возбужденное состояние, в котором квазича- |
|
стица обладает самой низкой энергией. |
219 |

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
|
Взаимодействие квазичастиц достаточно мало при низких тем |
|
пературах, но именно при этих температурах легче всего изучать |
|
их поведение и свойства, например тепловые. Действительно, много |
|
частичные системы часто характеризуются двумя типами элементар |
|
ных возбуждений: изменением движения квазичастиц из за взаимо |
|
действия с другими объектами и комбинированным движением всей |
|
системы. Такие возбуждения называются коллективными модами |
|
и включают плазмоны. |
|
Плазмоны играют важную роль в оптических свойствах метал |
|
лов. Влияние плазмонов на оптические свойства было обнаружено в |
|
1989 г., причем совершенно случайно (как это довольно часто про |
|
исходит с научными открытиями). Томас Эббесен (Thomas Ebbesen), |
|
сотрудник Научно исследовательского института компании NEC в |
|
Принстоне, штат Нью Джерси (США), проводил опыты по прохож |
|
дению видимого света сквозь золотую пластину с 100 млн отверстий |
|
диаметром около 300 нм. Отверстия были уже, чем длина волны |
|
света, — около 400 нм. Представьте себе сетку, в которую бросают |
|
волейбольные мячи. Согласно квантовой теории, существует вероят |
|
ность того, что 1/1000 часть светового потока может пройти сквозь |
|
такую пластину. В примере с сеткой это значит, что один из тысячи |
|
мячей протиснется сквозь сетку. Однако в опытах Эббесена сквозь |
|
пластину прошло даже больше, чем 100% падающего света. С об |
|
ратной стороны пластины было больше света, чем с лицевой! Ученый |
|
тщательно проверил методику эксперимента и несколько раз повто |
|
рил все измерения. Однако результат оставался неизменным. Исход |
|
эксперимента был настолько необычным, что Эббесен предположил |
|
наличие какой то неизвестной ошибки эксперимента и даже не опу |
|
бликовал свои результаты. |
|
С 1998 г. в компании NEC работает физик теоретик Петер Вольф |
|
(Peter Wolff). Он изучил результаты необычных опытов Эббесена с |
|
наноразмерными отверстиями и светом. Поскольку Вольф уже знал, |
|
как электроны ведут себя на поверхности металлов (они образуют |
|
волнистую «рябь»), он попробовал повторить этот эксперимент. Дей |
|
ствительно, Вольф обнаружил, что электроны ведут себя как волны, |
|
а не как частицы, и при определенных условиях можно наблюдать |
|
эффект, замеченный Эббесеном. |
|
В настоящее время плазмоны активно исследуются, и, возможно, |
|
вскоре будут применяться для передачи компьютерной информации, |
|
поскольку передают ее гораздо быстрее электронов и могут исполь |
220 |
зоваться в стандартных компьютерных чипах. |

ГЛАВА 10 Коммуникации
НАНОЛИНЗЫ
Группа исследователей из Технического университета Джорджии (США) и Университета Тель Авива работает над способом фокуси ровки света в окрестности с диаметром всего несколько атомов и
стремится достичь оптического увеличения в миллионы раз. С по мощью ряда из нескольких металлических наносфер с постепенно уменьшающимися размерами и расстояниями между ними свет мож
но сфокусировать в очень малой области. Такие попытки напомина
ют привычное с детства занятие, когда пытаешься поджечь кусочек бумаги с помощью обыкновенной лупы. Метод, основанный на при менении наносфер, можно использовать для обнаружения молекул и наночастиц, а также для манипулирования ими.
На рисунке 10.1 показана простая модель нанолинзы, созданная
на основе трех наносфер с размерами от 50 до 5 нм. При освещении самой крупной наносферы возникают волны колеблющихся электро нов (плазмоны), которые распространяются вдоль поверхности на носферы, в результате чего возникает электромагнитное поле (почти
как в опытах Эббесена и Вольфа). Это поле, проходя через последо
вательность уменьшающихся наносфер, сгущается и сводится в точ ку. Таким образом, можно добиться увеличения интенсивности света почти в миллион раз.
Рис. 10.1. Принцип действия нанолинзы, с помощью которой можно добиться увеличения в миллион раз
Такое увеличение несет огромные преимущества для |
некоторых |
|
видов спектроскопии. Поверхностные плазмоны можно |
фокусиро |
221 |

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
вать в устройстве, подобном лазеру, которое называется спазером
(от англ. spaser — surface plasmon amplification by stimulated emis sion of radiation, усиление стимулированного излучения поверхност ными плазмонами). В работе спазера принимают участие металличе
ские наночастицы и активная среда с полупроводниковыми кванто выми точками.
Вспомните всеобщее увлечение волоконной оптикой. Нанооптика
может привести к такому технологическому скачку, равного которо
му не было со времен появления оптоволоконных кабелей. С помо щью нанооптики ученые и инженеры смогут существенно усовершен
|
ствовать методы передачи и обработки информации. |
|
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ |
|
Как уже описывалось в главе 4, крупномасштабное компьютер |
|
ное моделирование имеет огромное значение для понимания свойств |
|
и процессов в наномире. Дело в том, что электронные, оптические, |
|
механические и магнитные свойства наноструктур тесно связаны |
|
с их размерами, формой, топологией и химическим составом. Для |
|
полного понимания этих взаимосвязей ученым придется выполнить |
|
компьютерное моделирование множества вариантов — ведь сейчас |
|
известны свойства только простейших полупроводников и углерод |
|
ных нанотрубок. |
|
В наномире тепловые флуктуации сравнимы с энергией акти |
|
вации многих процессов. Статистические и компьютерные модели на |
|
носистем должны учитывать их для обеспечения высокой точности |
|
результатов моделирования. Более того, для компьютерного моделиро |
|
вания наномасштабных систем необходимо использовать законы кван |
|
товой механики. Компьютерное моделирование играет важную роль |
|
в описании свойств наноматериалов и проектировании наноструктур. |
|
ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ |
|
Технологические инновации стимулируют развитие коммуника |
|
ционной отрасли (например, внедрение технологии DVD, беспро |
|
водных и широкополосных сетей), а также новых стандартов. Ком |
|
муникационные стандарты имеют большое значение для организации |
|
стабильной передачи сигналов в разных средах и между разными |
|
устройствами. В отсутствие общепринятых стандартов связь между |
|
ними была бы просто невозможной. |
|
Попросту говоря, связь означает, что собеседники находятся |
222 |
«на одной волне». В быту, когда утрачено взаимопонимание между |