Фотонные кристаллы в природе

Неоднократно случалось, что, открыв новый эффект, исследователи обнаружат нечто подобное в живой природе. Природа сферических кластеров, формирующих опал, возможно, связана с минерализацией таких микроорганизмов, как диатомеи или радиолярии.

Австралийские ученые обнаружили причину эффекта яркого, радужно переливающегося «меха» у глубоководного морского червя морской мыши, genus Aphrodite), представленного а рисунке 7 на цветной вклейке. Мех способен отражу почти со 100%-и эффективностью во всей видимо области спектра – от красного до голубого. Сканирующий электронный микроскоп показал, что ворсинки того меха обладают 2D-периодической структурой, вероятно, с неполной запрещенной зоной. Оказалось, то радужные переливы на чешуйках и перьях ряда животных объясняются не столько цветом их пигментов, сколько их периодичной структурой фотонного кристалла. Видимо, в животном мире такие эффекты связаны с привлечением полового партнера или устрашением врага.

Бельгийско-венгерская груша ученых с помощью электронной микроскопии продемонстрировала упорядоченную структуру в виде ренета с отверстиями субмикронных размеров на крыльях самцов тропических бабочек (рис. 8 на цветной вклейке). Оказалось, что эта структура, кроме всего прочего, снижает поглощение света и вредный разогрев крылышек. Эволюция тех же бабочек, живущих в более холодных климатических поясах, привела к потере красивого сине-фиолетового перелива крылышек – структура фотонного кристалла на них исчезла, и крылышки приобрели коричневый цвет. Одновременно появился дополнительный источник тепла за счет поглощения крылышками энергии солнечного света. Обнаружившие это явление ученые предполагают, что такое влияние фотонно-кристаллической структуры на тепловой баланс поверхности можно использовать в защитных скафандрах для космоса и работы в пустынях.

Предполагают, что удивительные переливы некоторых драгоценных восточных ковров, которые юные мастерицы ткут годами, также определяются не только цветом нитей, но и поверхностной структурой. Делаются попытки создания по этому принципу новых типов тканей.

Опал замыкает ряд драгоценных камней, нашедших применение в оптико-квантовых технологиях. Название его произошло от слова «упала», в переводе с санскрита – «Драгоценный камень». Первый лазер (оптический диапазон длин волн) был создан в 1960 г. на кристалле рубина. На основе кристаллического александрита появились перестраиваемые твердотельные иттрия – алюминиевого граната. Красота драгоценных камней сочетается с их перспективностью для современной техники.

Лекция: Наноэлектроника

Микро- и наноэлектроника

П осле принципиального шага в развитии электроники – перехода к интегральным схемам – в соответствии с законом Мура шел процесс дальнейшей миниатюризации устройств и уменьшения их электропотребления. Например, в ближайшие годы предполагается уменьшение размера микрофона мобильного телефона настолько, что он будет сопоставим с толщиной человеческого волоса. На рисунке 6.1 приведены для сравнения фотографии первой интегральной схемы Дж. Килби (1958) и первой интегральной схемы на одной углеродной нанотрубке (2006). Плотность информации в устройствах современной наноэлектроники сопоставима с плотностью информации, зашифрованной в ДНК.

Специалисты области микроэлектроники обоснованно называют её развитие одним из стратегических направлений мирового научно-технического прогресса. Именно развитие микроэлектроники сделало возможным реализацию идей нанотехнологии и послужило од-ним из объективных факторов, вызвавших третью научно-техническую революцию. И в настоящее время электроника является основной практической областью применения нанотехнологии. Вместе с тем наноэлектроника отличается от микроэлектроники рядом существенных моментов. Это совершенно новая область науки и техники, которая использует быстродействующие и сверхминиатюрные системы, функционирующие на основе квантовых эффектов. Удивительные новые возможности наноэлектроники сопровождаются неизвестными ранее трудностями, связанными с квантовой природой процессов в ее устройствах. Такая ситуация вообще характерна для наноструктур. Возникают проблемы, связанные с различными пределами (ограничениями), обусловленными фундаментальными законами физики: предел однозначного представления и обработки информации; предел, связанный с тепловым делением; предел терминированного (точного) управления устройствами и т. д.

Например, серьезную проблему для компьютеров составляет тепловыделение, которое уже сейчас близкая к критическому. Плотность упаковки элементов на чипе лимитируется не только размерами атомов, но и принципом Ландауэра, по которому потеря каждого бита информации поводит к выделению тепла в количестве k_Б T ln 2, где k_Б – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, ln 2 ≈ 0,7. Чем больше скорость компьютера, тем больше тепловыделение. Для борьбы с перегревом в суперкомпьютерах предлагается создавать локальные низкие температуры или даже размещать на компьютере на геостационарных орбитах, используя низкую температуру космоса. Выгодная особенность оптических компьютеров как раз состоит в том, что в них свет проходит через оптическую систему практически без тепловыделения, тепло выделяется только в детекторах, считывающих информацию.

Именно тепловыделение создает основные трудности для реализации суперкомпьютера с частотой 3 – 10 квадриллионов (10¹⁵) в секунду (3–10 petaflops). Группа японских компаний надеется достичь такого предела к 2011 г. за счет проекта в 700 млн долларов. В 2006 г. в Иокогаме был продемонстрирован петафлопный суперкомпьютер MDGrape-З с рекордной теоретической производительностью 1 квадриллион операций в секунду. Специалисты компании «IBM», одного из лидеров в области суперкомпьютеров, сравнивают производительность такой системы с производительностью стопки ноутбуков высотой около 2400 м.

Стоит вспомнить, что первая электронно-вычислительная машина ENIAC, созданная в 1946 г. «IBM» по заказу Министерства обороны США, производила 5 тыс. операций в секунду. При этом она весила 30 т и состояла из 18 тыс. электронных ламп.

Еще один пример физического предела, связанного с переходом к наноразмерам, – предельная толщина изолирующего слоя оксида кремния в транзисторе. Если слой тоньше 1,5–2 нм (4–5 молекул), возникают неконтролируемые туннельные переходы и перегревы.

В кратком изложении трудно описать все проблемы и перспективы наноэлектроники. Выделим нижеследующие.

Переход на наноразмеры поставил задачу создания молекулярного компьютера, который должен включать молекулярные транзисторы, наноустройства памяти, наноразмерные провода. Если молекулярный транзистор будет размером порядка 1 нм (3–5 размеров атома), плотность размещения элементов электроники возрастет по сравнению с нынешней в 10 тыс. раз. Однако нанотранзистор – это квантово-механическое устройство, и протекающий через него ток нельзя рассматривать как непрерывный поток электронной «жидкости»: он дробится на небольшое число электрических зарядов. Конструирование и использование нанотранзистора базируются на законах квантовой механики и достаточно сложны.

Любой транзистор представляет собой систему, в которой можно управлять силой тока между двумя элементами влиянием на них третьего элемента. Молекулярный транзистор может представлять собой всего одну молекулу с переменными электрическими свойст­вами. Таким образом, в ней будут совмещены все три элемента транзистора. Например, молекула фотохромного соединения меняет свою конфигурацию в результате электрохимического окисления. Уже созданы нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок, фуллеренов и пр.

В микроэлектронике в транзисторах используется полупроводник, так как в нем легко управлять концентрацией носителей заряда. Но полупроводниковыми свойствами могут обладать также кластеры металла при определенном числе атомов в них. Для стабильности системы берутся кластеры с магическим числом атомов.

Полученные результаты научных исследований пока не привели к созданию массовой технологии нанотранзисторов, но ведущие лаборатории мира и крупнейшие фирмы в области электроники ведут активную работу и не расшифровывают полностью свои практи­ческие разработки, имеющие большое экономическое и военное значение.

Важная составляющая молекулярного компьютера – память – будет четко разделяться на оперативную, быстродействующую, и память более «медленную», но зато с длительным хранением информации. Отдельным элементом памяти также может быть отдельная молекула, которая под внешним воздействием (например, лазерного излучения) меняет свое состояние. Два состояния молекулы соответствуют двоичному коду. В этом случае возможны проблемы, связанные с самопроизвольным переходом молекулы в другое состояние из-за теплового движения или туннельного перехода, что приведет к потере информации.

И наконец, еще одна необходимая составляющая молекулярного компьютера – нанопровода, соединяющие все его элементы. Здесь вы двигаются различные вари анты. Один из них – использование углеродных нанотрубок, в том числе наполненных атомами металла. Возможно использование макромолекул полимеров, проводящих электрический ток. В 2005 г. в журнале «Nature» появилось сообщение о «микробной нанопроволоке», которую вырабатывают микроорганизмы Geobacter (рис. 6.2). Они при переработке отбросов сточных вод превращают химическую энергию в электроэнергию. Этот процесс сопровождается построением электропроводящих структур. Заметим, что планируется использование колоний этих бактерий для биологической очистки воды от химикатов, нефти и тяжелых металлов, а также для получения батарей нового типа, актуальных для глубоководных сенсоров. Появлялись сообщения о металлизации паутины, нитей дрожжевых белков и пр.

Во всех случаях главной остается проблема присоединения нанопровода к другим наноэлементам молекулярного компьютера. Для массовой технологии таких способов пока нет. Надежды, как часто в нанотехнологии, связаны с развитием механизмов самоорга­низации.

Разновидностью молекулярного компьютера является биологический компьютер, все части которого построены из биомолекул. В частности, им активно занимается Американское агентство оборонных перспективных исследовательских разработок «DARPA» (именно в его недрах родился Интернет).

Возможно, в будущем подобные устройства будут вживляться в человеческий организм в качестве постоянного активного сенсора.