Версия для печати
Вернуться к списку

ДЕФЕКТЫ В АЛМАЗЕ – ПРОРЫВ В ЭЛЕКТРОНИКЕ

Современные технологии шагают в сторону миниатюризации элементной базы микро- и оптоэлектроники. Постоянно растущие требования к мощности компьютеров, скорости передачи информации, защите передаваемых данных заставляют учёных искать принципиально новые подходы к обработке и передаче информации.

Магистральный путь, избранный сильнейшими лабораториями мира, состоит в уменьшении числа электронов, необходимых для работы транзистора, вплоть до одного электрона к 2020 году. Однако при решении этой задачи неизбежны сложности: любой прибор с наноразмерными характеристиками будет вести себя непредсказуемо с точки зрения привычной логики, или, как сказали бы физики, начнёт проявлять элементы квантового поведения. И если ранее считалось, что нужно научиться преодолевать квантовые эффекты, то сейчас учёные полагают, что гораздо выгоднее их использовать в качественно новых технологиях.

Пределом мечтаний считается устройство на основе единичного атома или единичной молекулы. Этот казавшийся поначалу фантастическим сценарий стал рассматриваться как вполне осуществимый после того, как в 1997 году группой немецких физиков были открыты уникальные оптические и магнитные свойства ряда дефектов в алмазе и наноалмазе.

«Слово “дефект” в привычном понимании несёт негативную окраску, по сути, это то же самое, что и “брак”, но в данном случае есть и позитив (как, впрочем, его можно найти и в браке), – поясняет в интервью журналисту STRF.ru руководитель исследования, заведующий лабораторией ФТИ им. А.Ф.Иоффе доктор физико-математических наук, профессор Павел Баранов. – Под дефектом мы понимаем единичный квантовый объект атомарных размеров, можно его характеризовать как некую инородную примесную молекулу в решётке алмаза. Это вакансия (просто отсутствие одного атома углерода), в ближайшем окружении которой имеется атом азота, заменивший атом углерода. Природа нам сделала несколько подарков, если говорить об электронных устройствах, – это кремний для микроэлектроники и ряд других полупроводников типа арсенида галлия для оптоэлектроники. Интересующий нас дефект – NV-дефект в алмазе – из того же списка, но уже в другом качестве».

Алмаз – пока единственный материал, в котором можно наблюдать спектроскопическими методами одиночный центр, одиночный спин, регистрировать электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс на одиночном дефекте при комнатной температуре с использованием оптического детектирования магнитного резонанса.

Особое место в исследовании алмаза занимают азотно-вакансионные дефекты, так называемые NV-дефекты. У них необычные магнитно-оптические свойства.

«По сути, NV-центр в алмазе – это уже прибор атомных размеров, работающий при температурах вплоть до 300 °С, то есть в кипятке ему даже холодно! – отмечает Павел Баранов. – Этот прибор уже многое может, и то ли ещё будет! Это магнитометр, это измеритель электрического поля, практически безынерционный термометр, управляемый источник одиночных фотонов и, наконец, – это кубит квантовой информации! Наноалмаз с NV-центрами может путешествовать по биологическим объектам, например по клеткам, и измерять, измерять, измерять. Особые перспективы намечаются при изучении нейронов, возможно, в ближайшие годы с помощью этого прибора удастся понять сложную нервную деятельность простых живых систем».

Именно эти открытия и положили начало захватывающим исследованиям в области квантовой информации. Если учесть, что за последние несколько лет в работах по исследованию одиночных спинов произошёл гигантский подъём, который не остался незамеченным крупными коммерческими компаниями (к исследованиям присоединилась Hewlett-Packard), можно утверждать, что перспектива создания квантового процессора, работающего при комнатной температуре, звучит не так уж и фантастично и что не за горами алмазная эра (возможно, также корундовая) квантовой электроники.

Можно выделить несколько наиболее перспективных в настоящее время направлений, в которых успешно могут быть использованы уникальные оптические и магнитные свойства одиночных дефектов в алмазе. Коллектив учёных Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН сконцентрировал свои усилия на нескольких направлениях – создании приборной базы для манипулирования одиночными спинами, т.е. элементной базы для квантового компьютера, а также создания магнитометров на основе магнитного резонанса на NV-дефектах в алмазных нанокристаллах либо на дефектах в карбиде кремния (корунде), также потенциально обладающих уникальными свойствами.

«В отличие от других лабораторий в мире, включившихся в эту тематику, мы имеем уникальный тридцатилетний опыт по использованию оптических методов для регистрации магнитных резонансов в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах, – отмечает Павел Баранов. – В 2008 году мы начали разрабатывать новый, не имеющий мировых аналогов, тип спектрометров высокочастотного электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и оптически детектируемого магнитного резонанса. Сейчас продолжаем эти работы. Наша цель – создать приборы, способные конкурировать с новейшими западными образцами. Считаем, что отсутствие современной приборной базы по ЭПР в России, на родине магнитного резонанса (магнитный резонанс был открыт Е.К. Завойским в 1944 году в Казани), недопустимо. Разработанная нами установка объединяет атомно-силовой микроскоп со спектрометром магнитного резонанса, мы впервые использовали стандартные модули микроскопов российской фирмы НТ-МДТ и в течение нескольких лет планируем довести разработку до законченного прибора. Подобные приборы в мире не выпускаются».

Прибор станет платформой для проведения измерений в биологических объектах, например в клетке, а также понадобится для исследований в любом квантовом или нанобиотехнологическом центре.

В простейшем варианте он представляет собой комплекс инструментов для изучения квантовых явлений в университетах. Он позволит пользователям – объектам макромира – наглядно представить себе процессы, происходящие в микромире, а не просто принимать на веру то, что квантовая теория правильно их описывает.

К настоящему времени в лаборатории создан работающий макет, в котором магнитный резонанс регистрируется в пятне оптического возбуждения (примерно 200–300 нм), и тестируются различные режимы работы. С помощью оптических методов исследователи пытаются добиться абсолютной чувствительности, поскольку резонанс возбуждается микроволнами с очень малой энергией, а регистрируется по отклику в системе огромных оптических энергий (пушинка вызывает камнепад).

Следующие шаги лаборатории будут связаны с разработкой методов регистрации магнитного резонанса на одиночных дефектах, в частности в алмазе и наноалмазе. В дальнейшем предполагается совместно с зеленоградской компанией НТ-МДТ поместить наноалмаз с NV-дефектами на зонд микроскопа для использования микроскопа как магнитометра с наноразмерным разрешением, чтобы получать информацию о распределении магнитных полей в молекуле, клетке и т.д., а в недалёком будущем увидеть картину ядерного магнитного резонанса (как в ЯМР-томографе). Кроме того, предполагается заменить алмаз высокотехнологичным полупроводником – карбидом кремния, который по некоторым позициям, в частности как полупроводник и материал для электрического возбуждения, превосходит алмаз. В ФТИ им. А.Ф.Иоффе имеются многолетние традиции по росту и исследованиям карбида кремния, включая и магнитно-резонансные исследования.

Будущее исследований лаборатория связывает с рядом международных проектов, в которых проявляют заинтересованность как фонды, поддерживающие фундаментальную науку, так и крупные корпорации – мировые лидеры в своих сегментах промышленности.

Справка STRF.ru:
Работа поддержана Министерством образования и науки России в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы», контракт № 16.513.12.3007. Начало проекта – 15 июля 2011 года, окончание – 6 октября 2012 года. Бюджетное финансирование – 20 миллионов рублей, внебюджетное – 4 миллиона рублей.