Новости

В следующем десятилетии для работы транзистора будет необходим всего лишь один электрон – такой технологический сценарий рисуют физики, предрекающие очередной этап информационной революции. Её итогом станет увеличение мощности компьютеров, скорости передачи информации, степени защиты передаваемых данных. Исследователи из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН разрабатывают прибор, в котором реализуются новейшие подходы, способные обеспечить ожидаемый революционный прорыв. Их главное «орудие труда» – алмазы.

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 нашему корреспонденту 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 карборундовая) квантовой электроники.

Быкова Наталья