Научный дайджест. Выпуск №7

Наши дорогие читатели, уверен, за последние годы волей-неволей успели поглотить огромное количество новостной информации о грядущем глобальном потеплении, о бедствующий экологии, о пользе экономии энергии и прочих "зелёных" проблемах. Каюсь, сам на протяжении последних десяти лет неоднократно прикладывался в своих публикациях к этой теме.

Не знаю, как у вас, а у меня очередное упоминание этой темы с некоторого времени вызывает желание поскорее переключить канал или закрыть соответствующий сайт. Посыл притчи про мальчика, впустую кричавшего "Волк!", конечно, поучительный, но мальчик всё же порядком поднадоел, а волк все так же неотвратимо наступает.

Сегодняшний дайджест тем не менее всё же посвящён теме энергосберегающих технологий. Хотя и косвенно, но есть такое. Что ж поделать, если проблемы экономии энергии сами не рассасываются и не поддаются оптимизации с помощью современных технологий. Возможно, мир будет спасён идеями, находящимися сегодня на обкатке в лабораториях или вовсе пока что неуловимо балансирующими "на острие пера" фундаментальной науки? Некоторые свежие вести с "научных" полей вполне позволяют нам вести этот разговор в оптимистичном тоне.

Заветная мечта всей полупроводниковой индустрии – электрические ключи без классических потерь на саморазогрев, похоже, будет впервые реализована на практике с помощью весьма экзотического типа магнитных полупроводников – так называемых магнитных топологических диэлектриков (изоляторов). Учёные из исследовательского центра RIKEN при Токийском университете (University of Tokyo) недавно представили образцы нового вещества с удивительными свойствами, обеспечивающими практически полное отсутствие потерь при передаче электричества.

Подобные свойства, кстати сказать, присущи условиям возникновения квантового эффекта Холла – ситуации квантования проводимости в двумерном электронном газе, где также возникают каналы стабильной проводимости почти без токовых потерь. Беда в том, что с практической точки зрения от этого эффекта на современном уровне развития технологий и материаловедения толку никакого: квантовый эффект Холла возникает лишь при приложении чудовищно сильного магнитного поля, по силе своей в сотни тысяч раз превышающего потенциал магнитного поля Земли. Кроме того, о комнатных температурах и речи быть не может: нужен достаточно жёсткий холод. Гораздо интереснее выглядят исследования аномального эффекта Холла, при котором перпендикулярное электрическое поле возникает (в отличие от того, как это происходит в "обычном" эффекте Холла) без приложения внешнего магнитного поля.

Здесь нам придётся сделать небольшое теоретическое отступление, чтобы лучше уяснить, о чём идёт речь. Дело в том, что уникальные свойства магнитных диэлектриков долгое время оставались в тени громкой славы графена, о котором последние годы не говорил только ленивый. Впрочем, многие свойства топологических диэлектриков и графена оказались достаточно схожими. Так, в обоих материалах электроны по поведению напоминают частицы без массы, с линейной зависимостью энергии от импульса, однако графену присуще наличие двух конусов Дирака (дисперсионной зависимости) и, соответственно, двух точек касания этих конусов ввиду двойного переплетения зоны проводимости и валентной зоны, в то время как у топологических диэлектриков такая точка касания всего одна.

Вот тут мы подходим к самому интересному. Помимо этого, у топологических диэлектриков каждой точке на конусе Дирака соответствует одно-единственное направление спина, в то время как спин-орбитальное взаимодействие в графене незначительно. Именно в этом и заключается самое уникальное свойство топологических диэлектриков: энергетические потери при прохождении поляризованных по спину токов по поверхности таких материалов будут пренебрежительно малы.

Высокая проводимость графена, в принципе, обусловлена схожими причинами, однако благодаря необычной зонной структуре у топологических диэлектриков имеется одно существенное преимущество: отсутствие изменения проводящих свойств, то есть практически нулевые потери даже при наличии значительных изъянов и неоднородностей на токопроводящей поверхности.

У топологических диэлектриков есть и другие волшебные свойства вроде магнитооптического эффекта, но сегодня нас интересуют только его магнитоэлектрические свойства. Главный с точки зрения практического использования факт заключается в уникальных электромагнитных свойствах топологических диэлектриков с нанесённым на их поверхность (или на подложку) слоем ферромагнетиков: появляется возможность создавать управляемые электронные приборы с невероятно малым сопротивлением, то есть с минимальными потерями на рассеяние и нагрев.

Впрочем, углубляясь в описание фермионов Дирака и в целом в теорию, мы рискуем залезть в сущие дебри и вовсе отойти от формата дайджеста. Так что подведём черту на том, что в настоящее время открыто множество соединений со свойствами топологического магнитного диэлектрика: Bi₂Se₃, Bi₂Te₃ и Sb₂Te₃, Bi₂Te₂Se, TIBiSe₂ и другие.

Специалисты RIKEN, судя по описанию их работ, в своих экспериментах использовали расщеплённые монокристаллы Bi₂Te_3–ySe_y с присадками марганца. Как раз за счет использования этого сложного соединения висмута, теллура и селена со свойствами топологического диэлектрика, учёным удалось добиться полупроводникового эффекта с ярко выраженным эффектом внутреннего (не внешнего) намагничивания, что является следствием вышеописанного взаимодействия между магнитными ионами и носителями тока в топологических диэлектриках (теми самыми фермионами Дирака, не имеющими собственной массы). С подробным описанием результатов исследований можно ознакомиться в статье Dirac-fermion-mediated ferromagnetism in a topological insulator, опубликованной недавно в журнале Nature Physics (DOI: 10.1038/nphys2388).

Фактически на сегодняшний день можно говорить об открытии нового типа полупроводников с ферромагнитными свойствами, обладающих рекордно низкими потерями энергии и пригодных для использования в электронике будущего, в частности в квантовых компьютерах. К сожалению, о сроках коммерциализации полупроводников на основе свойств топологических диэлектриков говорить пока совершенно нереально: испытанные в лабораторных условиях транзисторы проявляют свои уникальные свойства при очень низких температурах. Впрочем, чему тут удивляться, ведь и сверхпроводимость когда-то достигалась при температурах, близких к нулю. К тому же не стоит забывать, что само существование топологических диэлектриков впервые было теоретически предсказано чуть более десятилетия назад, а на практике вещества с такими свойствами были впервые найдены всего несколько лет назад. Глядя на взрывообразный рост открытий в области изучения свойств графена и нанотрубок, происшедший уже в этом веке, не сложно поверить, что полупроводники на основе топологических диэлектриков при комнатной температуре станут реальностью достаточно скоро.

Учёные из RIKEN также полны оптимизма, для них главное то, что уникальные свойства новых материалов удалось подтвердить созданием реально работающего прототипа транзистора. Поэтому не исключено, что наши современные радости по поводу появления новых блоков питания класса 80PLUS Platinum с рекордным КПД до 96% через какой-то десяток лет смогут вызвать только усмешку. Проценты, целые проценты... о чём вы? Как насчёт КПД до 99,999%?

Раз уж речь зашла о транзисторах, нельзя не упомянуть хотя бы вкратце недавнее открытие одномолекулярного магнита, устройствам на основе которого уже пророчат почётное место ключевого элемента в квантовых компьютерах будущего.

Изучая свойства иона тербия (Tb) в крупной органической молекуле с подключёнными золотыми проводниками – этаком транзисторе в нано-масштабе, группа учёных из технологического института Карслруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) из Гренобля и Страсбурга обнаружила четыре возможных состояния ядерного спина вышеупомянутого иона. Но важнее тот факт, что каждое из этих состояний спина оставалось стабильным на протяжении десятков секунд – времени, вполне достаточного для выполнения квантовых вычислений.

Спинами электронов легко манипулировать, но в то же время они значительным образом подвержены внешним воздействиям, так что для квантовых вычислений от них мало толку: записанная в спин электрона информация всё равно не сохранится достаточно [предсказуемо] долго. Другое дело – спины атомных ядер: воздействие внешней среды на них не так значительно, как на более лёгкие электроны, но в то же время управлять ими и определять их текущее состояние значительно сложнее. Если можно было бы добиться решения этих проблем на практике, ядерные спины относительно стабильных элементов стали бы потенциально пригодными для квантовых вычислений.

Технику создания одномолекулярного магнита, измерения его свойств и управления им учёные из KIT описали в статье "Electronic read-out of a single nuclear spin using a molecular spin transistor", опубликованной на днях в журнале Nature (DOI: 10.1038/nature11341).

Несмотря на отсутствие "классических" ферромагнитных свойств (свойств постоянного магнита), одномолекулярный магнит тем не менее демонстрирует значительный магнетизм во внешнем магнитном поле. Так, в случае с ионом трехвалентного атома тербия (Tb³⁺), зажатого в "сэндвич" между двумя комплексными органическими молекулами ароматических фталоцианинов, такая конфигурация позволяет обеспечить досягаемость атома тербия для внешнего воздействия и, кроме того, поддерживает четыре специфических квантовых состояния спина.

В экспериментальной установке к "сэндвичу" с одномолекулярным магнитом были подключены три золотые нанонити, так что аналогия с транзистором вполне очевидна. Изменяя потенциал напряжения между двумя проводами, учёные добивались переключения между всеми четырьмя состояниями спина. В обычных условиях ядро тербия не ведёт себя таким образом, но здесь вступает в силу свойство так называемого квантового тунеллирования намагниченности при воздействии внешнего электрического потенциала. Кроме того, учёным также удалось измерить период стабильного существования атома с наведённым спином без разрушающего воздействия: до 20 секунд! По меркам процессов квантовой механики это очень большой период.

Очень хочется верить, что когда-нибудь наступит Светлое Будущее Квантовых Вычислений, учёные перестанут морочить нам головы демонстрацией отдельных квантовых вентилей и наконец-то с конвейера покажется образец первого массового Квантового Компьютера. Если к тому времени учёные не забудут про уникальный 4-спиновый тербиевый магнит, только представьте себе, какие замечательные элементы можно сделать при четырёх состояниях логического ключа: да, нет, может быть, ни за что на свете, завис до вторника и так далее. Мне нравится!

А что же упомянутые выше сверхпроводники, как они поживают сегодня? Это сейчас, куда ни сунься, всюду графен и его производные как панацея для кино/фото/вело/мото/светотехники, электронной и полупроводниковой промышленности, ну самую малость пока не хватает до массового производства!

А ведь ещё совсем недавно – каких-то двадцать лет назад — точно такие же дифирамбы пелись сверхпроводимости. Особенно после того как были найдены первые материалы со сверхпроводящими свойствами при "комнатных" температурах. Какие сегодня события актуальны на этом фронте?

Новостей, скажем так, негусто. Кое-что всё же происходит, но реальное использование сверхпроводников в быту всё так же за горизонтом. Похоже, учёным придётся более тщательно изучить природу феномена на фундаментальном теоретическом уровне, прежде чем дело дойдёт до лабораторных и промышленных испытаний. Так что действительно интересные вести о сверхпроводимости пока приходят из кабинетов физиков-теоретиков.

На прошлой неделе исследователи лаборатории физики твёрдого тела (Solid State Research) при филиале института Макса Планка (Max Planck Institute) в Штутгарте объявили о публикации научных работ (doi:10.1038/nmat3378), посвящённых так называемым "высокотемпературным" сверхпроводникам (именно такие мы и называем по-крестьянски "при комнатной температуре"). Что ж – Good News, как говорит Профессор из "Футурамы" в таких случаях: учёные впервые описали эффект возникновения специфических периодических поверхностных флуктуаций, или, проще говоря, своеобразных зарядовых волн, препятствующих переходу вещества в состояние сверхпроводимости. Таким образом, говоря современным языком, во всех прежних теоретических моделях, применявшихся для вычисления температуры перехода вещества к сверхпроводимости, найдена грубейшая системная ошибка, полностью перечеркнувшая достоверность этих расчётов, – никто до этого просто не догадывался о таком эффекте и, следовательно, не брал его в расчёт.

Исследуя результаты воздействия магнитного поля на композитные керамические материалы с оксидами иттрия и неодим-бариевыми купратами (популярные претенденты на звание высокотемпературных сверхпроводников), учёные обнаружили, что параметры электронных колебаний в кристаллах вещества значительным образом отличаются от того, что показывали теоретические расчёты.

Что интересно, эффект наблюдается при температурах, превышающих точку перехода материала в состояние сверхпроводимости, и исчезает в момент потери веществом электрического сопротивления. Вместо равномерного распространения по кристаллу, электроны формируют массивы повторяющихся волновых структур с большей или меньшей насыщенностью объёмного заряда.

Подобный эффект известен на протяжении десятилетий у двумерных материалов вроде селенидов ниобия, и достаточно хорошо изучен, но возникновение поверхностных волновых электронных уплотнений в сверхпроводящих соединениях солей медной кислоты открыто впервые.

Напомним, что суть возникновения сверхпроводимости упрощённо можно описать как объединение двух электронов через фонон в так называемую куперовскую пару, способную в таком состоянии перемещаться через сверхпроводящий кристалл с нулевым сопротивлением. Эффект волновых возмущений возникает при температурах выше точки перехода к сверхпроводимости и, по мнению учёных, оказывает разрушительное воздействие на сверхпроводимость. Как только материал охлаждается до критической температуры, электроны переходят из одного состояние в другое, сверхпроводимость "побеждает" и волновые возмущения исчезают.

Теперь учёные переключились на практические исследования более широкого списка материалов с целью обнаружить аналогичный переход между двумя состояниями электронов у других типов сверхпроводников, но даже на сегодняшнем этапе это открытие вносит значительные коррективы в развитие всех будущих исследований сверхпроводимости. Увы, даже у самых "высокотемпературных" устойчивых соединений температура перехода к сверхпроводимости всё ещё в глубоком минусе и далека от комнатной. Но зато теперь применение более правильной модели с учётом волнового эффекта позволит гораздо точнее вычислять температуру перехода материалов в сверхпроводящее состояние.

Но ещё более важным является тот факт, что на волновые возмущения, препятствующие переходу электронов в состояние куперовских пар, можно воздействовать магнитным полем! Сейчас учёные работают над изучением свойств этаких многослойных "сэндвичей" толщиной в несколько нанометров, составленных из пластинок вышеупомянутых керамических композитов и обладающих уникальными свойствами ферромагнетиков на базе соединений лантана, кальция и оксида марганца — La_2/3Ca_1/3MnO₃. Этот тип магнитного воздействия производит обратный эффект, препятствуя возникновению куперовских пар, и, соответственно, ещё больше понижая температуру перехода в состояние сверхпроводимости. Но на данном этапе учёным гораздо важнее исследовать суть принципа взаимодействия электронов и фононов, сверхпроводников и магнетизма. Только разобравшись с действительной природой таких взаимодействий, можно строить дальнейшие планы перехода к конечной практической цели – повышению рабочей температуры сверхпроводников до температуры окружающей среды и созданию из таких материалов проводов с нулевым сопротивлением и нагревом для промышленного применения.

Давеча тут довелось посмотреть свежий ремейк моего любимого фильма "Вспомнить всё". Не очень люблю творчество фантаста Филипа Дика, но эти экранизации обожаю: со стариной Арнольдом — так вовсе шедевр, да и с потрясающим Колином Фарреллом ни одного фильма не пропускаю.

Так вот, понравились мне там нюансы с коммуникациями будущего: визуализация на любом куске стекла, говорят себе прямо в чип, вмонтированный в руку, красота. Не знаю уж, что там будет в мобильниках будущего – топологические ли изоляторы, квантовые ли чипы, а то, может, и вовсе графен. Что-нибудь обязательно будет, куда мы денемся.

Но на улицах у них там в Будущем… как-то грязновато мне показалось, не находите? Свинарник какой-то, честно говоря. Почто живую природу извели? Не нравится мне такое Будущее, пусть уж лучше я буду говорить не в руку, а в карболитовую трубу с дисковым номеронабирателем и проводами, чем жить в городе без единого дерева.

Поэтому, друзья, давайте уж нарушим завет Венечки Ерофеева, прекратим заниматься икотой да приступим лучше к исследованиям и открытиям чего-нибудь полезного. Так ведь, не ровен час, возьмут да откроют однажды бессмертие, и в том самом Свинарнике Будущего придётся жить не только нашим детям, но и нам самим…