Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362

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.

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

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

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

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.

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения

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

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