Все новости 2018
Все новости 2017
Все новости 2016
Все новости 2015
Все новости 2014
Все новости 2013
Все новости 2012
Все новости 2011
Все новости 2010
Все новости 2009
Все новости 2008
Об институте
Основные направления исследований
Дирекция
Ученый совет
Научные сотрудники
Устав института и локальные нормативные акты
Конкурс на замещение вакантных должностей
Службы института
Контактная информация и реквизиты
Испытательный центр
ИЦ в системе «Наносертифика»
Лаборатория объемного и поверхностного деформирования
Лаборатория неразрушающего контроля
Лаборатория микромеханики материалов
Лаборатория технической диагностики
Лаборатория конструкционного материаловедения
Лаборатория деформирования и разрушения
Лаборатория системного моделирования
Лаборатория прикладной механики
Лаборатория механики деформаций
Сектор нелинейной вихревой гидродинамики
Сектор информационных технологий
Отдел механики транспортных машин
Специальности
Состав
Контактная информация
Объявления и авторефераты
Материалы по защите диссертаций
Защита диссертаций
Общие сведения
Номенклатура научных специальностей по аспирантуре
Для поступающих в аспирантуру
Для аспирантов
Список аспирантов
Нормативная база
Монографии
Диссертации
Поиск по авторам
Поиск по публикациям
2018 2017 2016 2015 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 и ранее
Поиск разработок
Механика деформируемых тел, перспективных материалов и технологий, конструкций и сооружений
Автоматизированные системы измерения, неразрушающего контроля материалов и диагностики ресурса машин
Основы алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения систем автоматического управления сложными объектами
Механика и процессы управления транспортных и тяговых машин
Поиск патентов
Патенты Института
Планируемые и проведенные в Институте
Планируемые и проведенные в 2018 году
Проведенные в 2017 году
Проведенные в 2016 году
Проведенные в 2015 году
Проведенные в 2014 году
Проведенные в 2013 году
Проведенные в 2012 году и ранее
Доклады наших сотрудников
Полезные ссылки
Объявления
Полезные ссылки
О библиотеке
Поиск поступлений
Монографии наших сотрудников
Система электронных библиотек (ИМаш)
Научные журналы (содержания номеров)
Другие библиотеки и издательства
Научные фонды
Новости
О нас
Школы, семинары и конференции
Полезные ссылки
 
 26.10.2018: Физики рассказали, где ожидают революционный прорыв  Версия для печати   Карта сайта     Language По-русски По-английски
Подписка на новости
по-русски:

МРДМК 2018
МРДМК 2018

ЦКП Пластометрия

DREAM
 
Все новости 2018
Все новости 2017
Все новости 2016
Все новости 2015
Все новости 2014
Все новости 2013
Все новости 2012
Все новости 2011
Все новости 2010
Все новости 2009
Все новости 2008


26.10.2018: Физики рассказали, где ожидают революционный прорыв

Окно в будущее

Предел вычислительных мощностей компьютеров практически достигнут. Людям нужны на порядки более скоростные устройства, основанные на других физических явлениях. Микроэлектронику необходимо модернизировать. Открытые в последние десятилетия топологические состояния материи дают надежду на то, что очередной виток технического прогресса не за горами.
Топология — это область математики, изучающая, каким образом свойства объектов остаются неизменными при непрерывных деформациях. С ее помощью удалось предсказать существование нового класса материалов. Отсюда их название — топологические изоляторы.
Это твердое вещество, которое не проводит электрический ток, но на поверхности проявляет свойства металла, то есть служит прекрасным проводником. Топологические изоляторы сохраняют эту удивительную способность независимо от дефектов, коррозии, деформации, повреждений. Именно этим они вызвали интерес ученых.

Под защитой топологии

Открытию топологических изоляторов предшествовали фундаментальные научные исследования, о практической пользе которых изначально не помышляли.
В 1981 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг открыл квантовый эффект Холла, возникающий в двумерном образце (очень тонком — толщиной в один-два атома) при низких температурах и сильном магнитном поле. Если такой проводник поместить между магнитами, то в нем возникнет разность потенциалов, перпендикулярная течению тока. С увеличением магнитного поля это "перпендикулярное" сопротивление (физики говорят "холловское") изменяется не плавно, а скачками по определенному закону с участием универсальных физических констант: заряда электрона и постоянной Планка. Таким образом в макрообъекте наблюдаются квантовые процессы, присущие микромиру. В 1985 году это открытие удостоилось Нобелевской премии.
Далее физики, пытаясь объяснить квантовый эффект Холла, обнаружили, что его природа — топологическая. За эти работы в 2016 году Нобелевскую премию по физике получил, в частности, англичанин Дэвид Таулесс. Грубо говоря, этот эффект проявляется, потому что у твердого тела есть поверхность, край. Именно там неизбежно движение электронов. Убегать с поверхности внутрь образца они не могут — у них нет для этого энергии.
В 2005 году американские физики-теоретики Чарльз Кейн и Юджин Мел предсказали, что должны существовать топологические изоляторы, в которых квантовый эффект Холла наблюдается при обычных условиях: без сильного внешнего магнитного поля и при комнатной температуре.
Роль магнитного поля в них играет особое квантовое явление — спин-орбитальное взаимодействие, обеспечивающее топологическую защиту поверхностных электронов. Действует это следующим образом. Когда заряженные частицы встречают дефект, то в обычном материале могут от него отскочить. В топологическом же изоляторе спин (внутреннее вращение электрона) всегда связан с направлением движения и должен сохраняться, поэтому электрон проигнорирует дефект и продолжит путь, не меняя направления.
Спустя два года после предсказания такие химические соединения действительно открыли. За что Кейн и Мел удостоились на днях премии Breakthrough Prize, учрежденной на средства Юрия Мильнера, Сергея Брина и Марка Цукерберга.

Квантовые нанотехнологии

Спин-орбитальное взаимодействие наиболее сильно проявляется в соединениях, в кристаллическую решетку которых входят тяжелые элементы, такие как висмут, ртуть, сурьма.
"Висмут уже сто лет исследуют. И вот в этом году обнаружили, что, если в нем сделать микроканавку, на некоторых ее стенках можно наблюдать топологическое состояние. В последние годы открыли еще несколько семейств топологических материалов — вейлевские, дираковские полуметаллы, полуметаллы с линией узлов. Поиск продолжается. Сейчас происходит топологическая революция в физике конденсированного состояния", — рассказывает РИА Новости кандидат физико-математических наук Александр Кунцевич, старший научный сотрудник лаборатории сильно коррелированных электронных систем ФИАН.
Его группа работает с кристаллами и тонкими пленками селенида висмута (Bi2Se3). Ученые делают из них простейшие электронные элементы, измеряют проводимость на поверхности, добавляют в систему примеси. На установке фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) исследуют образцы, их зонную структуру и топологическое поверхностное состояние.

Фотоны вместо электронов

"Недавно подсчитали, что из двухсот тысяч известных науке химических соединений, только несколько сот могут быть электронными топологическими изоляторами. Это капля в море", — комментирует РИА Новости Максим Горлач, научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО (Санкт-Петербург).
Чтобы расширить класс этих необычных материалов, ученые пошли на хитрость, заменив электроны фотонами — квантами электромагнитного излучения. Для этого конструируют особые структуры, имитирующие кристаллическую решетку. Попадая в них, фотон приобретает эффективный спин и даже в некотором смысле массу и, в общем, чувствует себя как электрон. Такие искусственные структуры называют фотонными топологическими изоляторами.
"В топологическом состоянии свет распространяется по краю. Если начнем вносить туда дефекты, что произойдет с краевым состоянием? Электромагнитная волна их обогнет, не рассеется, не уйдет вглубь структуры. Это вызывает большой интерес исследователей", — поясняет Горлач.
Ученые в ИТМО изготавливают и изучают структуры из керамики, кремния. Выбор материала зависит от диапазона частот электромагнитного излучения — это могут быть микроволновый, инфракрасный или оптический диапазоны.
В отличие от электронных, здесь не требуются редкие соединения. Однако необходима высокая диэлектрическая проницаемость материала и правильное его структурирование. Кроме того, интервал частот, в которых существуют топологические изоляторы слишком узок. Усилия ученых направлены на то, чтобы его расширить.

Новые материалы, новые устройства

Фотонные топологические изоляторы перспективны там, где требуется защищенная от помех передача электромагнитного сигнала: оптические системы, линии связи.
"На их основе можно сделать такой волновод, что при любых его изгибах и деформациях, любых изменениях окружающей среды, излучение будет распространяться по нему без рассеяния на дефектах или изгибах. Если оптоволоконный кабель сильно перекрутить или переломить, оптический сигнал не пройдет. А топологический волновод сохранит работоспособность, несмотря на повреждение", — приводит пример Максим Горлач.
Электронные топологические изоляторы в сочетании с ферромагнетиками найдут применение в спинтронике, которая для переноса информации задействует спин электронов. В будущем — это спиновые транзисторы и накопители информации, спиновые компьютеры, не выделяющие тепла и, как следствие, работающие на порядок быстрее обычных.
Топологический изолятор, соединенный со сверхпроводником, даст топологический сверхпроводник, для которого открывается совершенно другая перспектива — использование в квантовых компьютерах.
Первые эксперименты показали, что, если на нанотрубочку из материала с сильным спин-орбитальным взаимодействием напылить сверхпроводник и охладить до гелиевых температур, сверхпроводимость проникнет в материал, и трубочка превратится в топологический сверхпроводник. На ее концах, как полагают физики, образуются фермионы Майораны — квазичастицы, предсказанные в 1930-х годах Этторе Майораной, учеником Энрико Ферми.
"Если поместить рядом две, условно говоря, трубочки топологических сверхпроводников, на концах которых "живут" фермионы Майораны, то они провзаимодействуют между собой. Значит, их можно рассматривать как квантовые биты и производить с ними квантовые вычисления", — объясняет Александр Кунцевич.

Практика отстает от теории

У идеального топологического изолятора на поверхности нулевое сопротивление, а внутри он, наоборот, — идеальный диэлектрик. На практике же ни одно из изученных химических соединений этому идеалу не соответствует: все образцы хоть немного, но проводят ток в объеме и рассеивают на краю. Те же недостатки и у их фотонных разновидностей.
Причины различные: у некоторых веществ, например, у селенида висмута, всегда много проводящих электронов в объеме, отсюда и ток. Попытки избавиться от этого дефекта с помощью добавления примесей пока не принесли успеха. А из-за несовершенной поверхности кристаллов не удается добиться нужной поверхностной проводимости.
По словам Кунцевича, очень качественные кристаллы умеют выращивать в Институте геологии и минералогии СО РАН в Новосибирске (его сотрудник Константин Кох стал лауреатом премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года). Но до идеального топологического изолятора, предсказанного теорией, эти кристаллы пока не дотягивают.
Другой путь — вырастить тонкую пленку. Поскольку у нее при большой площади поверхности очень малый объем, то проблема проводимости частично снимается. Пленка технологичнее кристалла, из нее можно делать устройства на чипе, ею можно управлять при помощи внешнего электрического поля. Но разработать технологию получения хороших пленок гораздо сложнее. Для этого требуются многие годы и большие инвестиции, впрочем, как и для всего остального в микроэлектронной промышленности.
"Пока воплотить в жизнь удивительные свойства этих материалов не удалось. То есть устройств еще нет. Если коротко, нынешние топологические изоляторы — недостаточно изоляторы. Нужно продолжать искать, трудности не означают, что цель недостижима", — заключает ученый.

РИА Новости https://ria.ru/science/20181025/1531352192.html

Дизайн и программирование
N-Studio беременность, мода, красота, здоровье, диеты, женский журнал, здоровье детей, здоровье ребенка, красота и здоровье, жизнь и здоровье, секреты красоты, воспитание ребенка православное искусство, христианская живопись, христианские стихи, книги скачать, христианская литература, плохие мысли рождение ребенка,пол ребенка,воспитание ребенка,ребенок дошкольного возраста, дети дошкольного возраста,грудной ребенок,обучение ребенка,родить ребенка,загадки для детей,здоровье ребенка,зачатие ребенка,второй ребенок,определение пола ребенка,будущий ребенок рождение ребенка,пол ребенка,воспитание ребенка,ребенок дошкольного возраста, дети дошкольного возраста,грудной ребенок,обучение ребенка,родить ребенка,загадки для детей,здоровье ребенка,зачатие ребенка,второй ребенок,определение пола ребенка,будущий ребенок медицина, клиники и больницы, болезни, врач, лечение, доктор, наркология, спид, вич, алкоголизм, медицинский сайт
© 2008-2018
Институт машиноведения 0,144