интернет-журнал о бизнесе, карьере и образовании
5 .. 7
  • Курсы ЦБ РФ
  • $ 57.27
  • 67.36
спецпроект
Меняющие мир

В эпоху кубитов компьютеры будут думать «спинами» (часть 1)

 

В лаборатории физической электроники на кафедре электроники твердого тела СПбГУ изучают свойства нового класса материалов — топологических изоляторов и графена. Графен уже около десяти лет является одним из самых исследуемых объектов в физике. Топологические изоляторы пока только набирают популярность. Группы ученых, которые их исследуют в других странах, были номинированы на Нобелевскую премию в 2014 году и, вероятно, в этом или следующем будут лауреатами. У питерских ученых тоже большие перспективы.

Текст: Родион Чепалов

 

Уникальные свойства этих систем, основанные на квантовых эффектах, позволяют конструировать электронные устройства нового поколения: это будут сверхбыстрые компьютеры, лекарства от рака, эффективные солнечные батареи. Сегодня мы беседуем с молодым 23-летним ученым лаборатории СПбГУ Ильей Климовских.

 

— Чем так замечателен графен?

— Графен — это один слой атомов углерода. Для нас он интересен не сам по себе, а в том смысле, станет ли он топологическим изолятором.

В 2008 году был открыт новый тип материалов — топологических изоляторов. Они отличаются от всех других веществ за счет своей квантовой природы. То есть они выглядят как обычные кристаллы. Недавно такой материал был обнаружен даже в природе. Внутри у них скрыта очень большая сила — спин-орбитальное взаимодействие. Можно сказать, что они «волшебные», как в книжках про Гарри Поттера.

 

— Что может заставить графен вести себя как в фэнтези?

— Самое интересное происходит, если удается заставить контактировать топологический изолятор и обычный материал. В качестве обычного материала может быть, например, воздух или вакуум. В этом случае поверхность топологического изолятора начинает проводить электрический ток. Более того, этот ток обладает захватывающими особенностями — он слабо рассеивается, а также является поляризованным по «спину».

 

 

— Что такое спин?

— Как известно, у электрона есть заряд, и если электрон движется, то возникает электрический ток. Однако у электрона есть еще так называемый «спин» — это понятие из квантовой механики, примерно означающее «вращение». Из электронов с определенным спином может возникнуть спин-поляризованный ток. Такой ток в разы интереснее и умнее обычного тока! Что-то типа «вращающегося тока».

 

— Почему он умнее и интереснее?

— Это можно сравнить с футболом. Если просто ударить по мячу в направлении ворот, вратарь легко отразит удар. Но если «закрутить» мяч во время удара особым способом (тренер рассказывает футболистам, как это сделать), то вратарь может не справиться, и любимая команда забьет гол.

Ток электронов с определенным спином — это крученый мяч в ворота классической электроники. На деле он означает, что материал с таким током приобретает совершенно удивительные качества. И наша задача — подготовить такой материал, чтобы им могли воспользоваться в производстве.

Наша научная группа занималась изучением подобных эффектов в разных системах, которые обычному человеку трудно себе представить, — например, в металлических пленках толщиной в несколько атомных слоев.

 

 

Мы доказали, что золотая пленка, напыленная на кристалл вольфрама, имеет особую спиновую структуру (вследствие так называемого спин-орбитального взаимодействия). В то же время такая же пленка золота на кристалле молибдена уже не имеет подобных свойств.

 

 

— Почему?

— Это происходит из-за того, что вольфрам тяжелее молибдена, а чем тяжелее материал, тем сильнее оказывается влияние спин-орбитального взаимодействия. Если продолжить аналогию с футболом, то получается, что чем мощнее будет наш нападающий — тем сильнее он сможет закрутить мяч при ударе.

При использовании «рекордсменов», например висмута или свинца, происходит переход материала в топологическую фазу, о которой говорилось ранее. То есть материал приобретает особые качества.

Так, мы недавно мы исследовали термоэффективное соединение Bi2Te2.4Se0.6 и показали, что оно является топологическим изолятором, то есть в нем возникает «умный ток».

 

 

— А причем тут графен?

— Углеродная пленка толщиной в один атом — графен — уже около 30 лет является основным объектом наших исследований. Примечательно, что интерес к графену вырос именно в последнее десятилетие, когда стало возможным его применение в электронике.

Графен обладает широким набором уникальных свойств, в том числе электрических и оптических. Благодаря исследованиям нашей лаборатории было открыто еще одно — спин-орбитальное расщепление состояний в графене при контакте с золотом. То есть электрический ток в графене тоже может быть спин-поляризованным, то есть «умным».

После этого открытия возник естественный вопрос: возможно ли настолько модифицировать графен, чтобы он стал топологическим изолятором? Ответ — да. Совсем недавно мы исследовали контакт графена с платиной и обнаружили, что поведение электронов в этой системе отличается от поведения при контакте графена с другими материалами. Результаты уже опубликованы, однако для полного понимания картины требуются дальнейшие исследования, тут нужно еще многое понять.

 

 

Справка

Современная лаборатория физической электроники в СПбГУ родилась в 1988 году, когда ее руководителем стала Вера Адамчук. Под ее началом была создана российско-германская лаборатория в центре синхротронного излучения BESSY в Берлине. Также были начаты работы по изучению низкоразмерных систем, структур на основе углерода. В данное время руководитель группы — Александр Шикин. Под его руководством был открыт ресурсный центр «Физические методы исследования поверхности» с самым современным оборудованием, а также российско-германский междисциплинарный центр G-RISC, помогающий молодым исследователям обмениваться опытом.

Вы можете ознакомиться с научными работами лаборатории по следующим ссылкам:

http://iopscience.iop.org/1367-2630/15/12/125014/article
http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.89.125416
http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.90.235431

Следить за комментариями этой записи   
Войдите с помощью или , чтобы оставить комментарий

Ещё по теме:

Наука — экстрим для молодых

Наука — экстрим для молодых

О маленьких людях и их больших открытиях

24 апреля 2015 0 401
В эпоху кубитов компьютеры будут думать «спинами» (часть 2)

В эпоху кубитов компьютеры будут думать «спинами» (часть 2)

Продолжение материала о разработках лаборатории физической электроники СПбГУ

22 мая 2015 0 385
Чудный город

Чудный город

О российских наукоградах, на территории которых осуществляются научные исследования, граничащие с волшебством

29 мая 2015 0 436

Свежие статьи

Геймификация: за и против

Геймификация: за и против

Почему геймификация подойдет не каждому бизнесу. Или просто не всякая геймификация?

18 октября 2017 0 23
«Нужны всего две морковки...»

«Нужны всего две морковки...»

«Применяйте кнут и пряник одновременно и не изобретайте велосипед», — советует эксперт «Понедельника»

18 октября 2017 0 24
«“Оно” не такое страшное, как шеф или ипотека»

«“Оно” не такое страшное, как шеф или ипотека»

Реальные страхи: чего мы боимся на самом деле и как с этим справляться?

17 октября 2017 0 129