Новые материалы – новые возможности

Новые материалы – новые возможности

Новые материалы – новые возможности

Кажется, совсем скоро изменится даже само наше представление о современных компьютерах, - те же квантовые машины уже сегодня показывают, насколько они мощнее, скоростнее, надежнее, и удобнее в работе. И всё – благодаря новым материалам, которые, в свою очередь, появляются благодаря новым открытиям ученых. К таким прорывным открытиям отнесем и недавнее достижение исследователей Принстонского университета в США, обнаруживших ранее неизвестные свойства электрона, которые вполне способны перевернуть наши прежние представления о поведении этих малюток в квантовых материалах в экстремальных условиях.

Любой физик подтвердит, - одной из самых противоречивых теорий остается теория о строении электрона. Долгое время в электроне видели некую единицу материи, в которой происходят таинственные превращения. Американские физики ближе всех подошли к разгадке этого «ребуса», открыв, что электрон изнутри может состоять из двух частиц, одна из которых дает электрону отрицательный заряд, а вторая награждает этот «строительный материал» спином – так ученые называют магнитоподобные свойства материалов.  

До сих пор ученые только теоретически предполагали такие свойства электрона, об этом говорили еще полвека назад, после того, как в 1973 году первый «предсказатель» спиновых жидкостей, лауреат Нобелевской премии физик Филипп Андерсон с помощью математических построений предположил, что в квантовом режиме электрон может состоять из двух частиц, одна из которых несет отрицательный заряд электрона, а вторая - его спин, который Андерсон окрестил спиноном.

Но и через много лет после появления гипотезы Филиппа Андерсона прямых доказательств у сторонников теории «разделения электрона» не было, и даже самые светлые умы не могли объяснить такое сложное состояние материи, как квантовая спиновая жидкость. Принято было считать, что  везде и всюду спин электрона может быть направлен только вверх, или только вниз. Теперь, благодаря работам исследователей из Принстона, у ученых есть доказательства разделения спиновых зарядов, и это объясняет тот факт, что материалы с квантовой спиновой жидкостью не способны образовывать однородный «узор», даже если их охлаждать до абсолютного нуля.

Объектом исследований ученых Принстонского университета стала спиновая жидкость, состоящая из атомов рутения и хлора. Здесь ученые и пытались отыскать спинон. И именно эти исследования показали, что при -452 градуса по Фарнегейту – а это температура всего на одно деление выше абсолютного нуля по Кельвину, - и при условии сильного магнитного поля, кристаллы хлорида рутения переходят в состояние спиновой жидкости. Для начала, кристалл хлорида рутения поместили в ванну с температурой 0 градусов по Кельвину, и подключили к кристаллу три суперчутких термометра. Затем к одному краю кристалла приложили магнитное поле и чуть согрели эту часть кристалла, - это позволило измерить его теплопроводность. Присутствуй здесь спиноны, это присутствие проявилось бы сразу на трехмерном цветном графике зависимости теплопроводности от магнитного поля, где сразу появился бы колеблющийся рисунок. Иными словами, такой график показывает изменения теплопроводности в зависимости от магнитного поля и температуры, и если здесь есть колебания, – значит, есть и неуловимый спинон. «Поймать» его удалось только через три года упорной работы, с помощью сверхточной аппаратуры, способной улавливать колебания в несколько сотых градуса. А это уже было материальным подтверждением верности теории Андерсона, - электрон действительно состоит из двух частиц.

Если это открытие подтвердят новые исследования, можно будет применить его, в том числе, и при создании чрезвычайно мощных квантовых компьютеров, нуждающихся в принципиально новых материалах, позволяющих ускорить и сделать стабильной работу процессоров, да и всей компьютерной «начинки».  

На этом впечатляющем фоне куда более «заземленным» покажется кому-то открытие российских ученых, создавших новый материал для оптоэлектроники. В апреле нынешнего года в СМИ появились сообщения о том, что исследователи МГУ имени М.В.Ломоносова, работавшие совместно с коллегами из ряда институтов Академии наук, смогли получить обладающие невиданными свойствами пленки на основе оксида ванадия. Эти пленки, способные реагировать на температуру, могут применяться и в «умных» домах, которые теперь можно снабжать и «умными» окнами; и при создании инфракрасных датчиков, биосенсоров и прочих подобных устройств.

Во всем «виноват» диоксид ванадия. Его давно взяли на заметку специалисты, работающие в сфере оптоэлектроники. Дело в том, что из-за резкого изменения проводимости на четыре-пять порядков при температуре 68 градусов Цельсия, можно получать супербыстрые оптоэлектронные переключатели, которые могут управляться… температурой. Такая пленка-стекло будет выполнять роль своеобразного температурного сенсора, когда датчики будут включаться или выключаться в зависимости от изменения температуры. Если ученым удастся найти оптимальную температуру для выполнения подобных функций, и добиться хорошей теплоизоляции окружающих деталей, можно будет поставить на поток и выпуск «умных» датчиков.  

Полученный специалистами МГУ материал отличается не только необычной «игольчатой» структурой, но и отменными характеристиками. Так, при температуре в 68 градусов Цельсия величина сопротивления разработанного ими материала уменьшается почти на шесть порядков, тогда как зарубежные исследователи смогли добиться уменьшения величины сопротивления только на четыре порядка.

Попутно российским ученым удалось решить и «производственную» проблему. Взятый ими на вооружение редко применяемый гидротермальный метод позволяет воспроизводить новый материал в необходимых количествах без больших затрат, а значит, новый материал может оказаться вполне конкурентоспособным на мировом рынке инновационных разработок.

Если ученым удастся еще более удешевить производство нового материала и совместить термоэлектрические свойства пленок с их чувствительностью к воздействию ИК и терагерцевого излучений, область применения «умной» пленки расширится, и ее можно будет применять во всех сегментах электронной промышленности, в том числе при создании новых компьютеров.

Оценить статью
(0)