Содержание |
2023
Ученые МФТИ определили оптимальный набор исходников теллура для синтеза квантовых точек
Исследователи из МФТИ и ИОНХ РАН предложили собственный подход к выбору исходных веществ с оптимальной реакционной способностью теллура для синтеза наночастиц. Это поможет ученым-экспериментаторам выбирать оптимальные реагенты для получения коллоидных квантовых точек, которые используются в изготовлении солнечных батарей, телевизоров и систем контроля качества пищевой продукции. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano-structures & Nano-objects. Об этом 31 августа 2023 года сообщили представители МФТИ.
Как сообщалось, теллур — полуметалл, активно используемый в солнечной энергетике и в производстве кристаллов, в том числе наноразмерных кристаллов, так называемых коллоидных квантовых точек, физические свойства которых (частота поглощаемых или испускаемых электромагнитных волн) зависят от их размера. Это расширяет диапазон их использования в прикладных разработках. Квантовые точки с поглощением в среднем инфракрасном диапазоне возможно получить для нанокристаллов теллуридов, то есть соединений теллура с металлами, — прежде всего теллуридов ртути и свинца. Это открывает дополнительные возможности для применений квантовых точек в системах транспортной безопасности, в охранных системах и термографии.
Как правило, синтез коллоидных квантовых точек теллуридов осуществляется путем смешения двух реагентов, содержащих теллур и требуемый металл. Распространенная сложность при проведении синтеза — температурный режим взаимодействия исходных веществ. Температура синтеза зависит от набора используемых реагентов, и диапазон крайне мал.
 | На август 2023 года в синтезе нанокристаллов теллуридов доминирует один реагент — это раствор теллура в триоктилфосфине. Он известен более тридцати лет, но только проведенные нашей лабораторией исследования позволили понять его природу. Мы получили серию фосфинтеллуридов и исследовали их с помощью ЯМР-спектроскопии, а также с помощью квантовой химии. Полученные данные позволили определять их реакционную способность. рассказал об исследовании Иван Шуклов, заместитель заведующего лабораторией фотоники квантово-размерных структур МФТИ |  |
Знание о реакционной способности позволило ученым получить оптимальный реагент теллура, благодаря которому можно расширить список металлов для получения наночастиц. Ученые провели синтез теллуридных нанокристаллов кадмия, свинца, ртути и цинка с использованием предшественника теллура, который ранее никогда не применялся.
| | В синтезах нанокристаллов важно иметь реагенты с подходящей реакционной способностью и таким образом управлять условиями синтезов, чтобы иметь возможность провести реакции при более низких либо при более высоких температурах для каждого конкретного металла. добавил Иван Шуклов | |
У каждого металла есть своя реакционная способность, которая определяет, насколько легко он реагирует с прекурсором (исходным материалом). Например, серебро позволяет провести синтез при комнатной температуре, свинец — при 150 градусах, а кадмий может потребовать свыше 300 градусов. Соответственно, возможность манипулировать реакционной способностью прекурсора — это возможность влиять на температуру синтеза. Если она слишком высокая или низкая — синтез непродуктивен. Например, при низкой температуре не выйдут оптимальные кристаллические точки. В идеале лучше проводить соединение наночастиц при температуре 100–200 градусов, и правильный подбор источников позволяет вписаться в этот интервал для любого металла. Таким образом, в зависимости от реакционной способности исходников, возможно подобрать комбинацию «металл + прекурсор».
| | В проведенном исследовании нами был разработан реагент — трициклогексилфосфина теллурид. У него нет недостатков стандартного исходного на основе триоктилфосфина, так как наш реагент свободен от примесей вторичных фосфинов. Таким образом, результаты синтезов с ним более предсказуемы. Кроме того, исходники российского производства , в отличие от триоктилфосфина, что особенно важно для современной промышленности. прокомментировал Алаа Алддин Мардини, младший научный сотрудник лаборатории квантовой фотосенсорики МФТИ | |
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.
В России создали наноразмерное оптоволокно для фотонных компьютеров будущего
В России создали наноразмерное оптоволокно для компьютеров будущего. Об этом проекте в начале июля 2023 года рассказали в МФТИ.
Группа ученых из Москвы и Санкт-Петербурга исследовала оптические свойства нанопроволок фосфида галлия и показала, что из этих кристаллов можно делать сложные оптические элементы для интегральных схем.
По информации компании, производительность компьютеров и смартфонов напрямую зависит от числа транзисторов, которые можно уместить на их микросхеме. Например, современные ноутбуки содержат несколько десятков миллиардов транзисторов. С каждым годом размеры электронных компонент уменьшаются, но разработчики уже близки к пределу, когда квантовые эффекты будут вмешиваться в работу процессоров. Кроме того, использование электронов для передачи и обработки информации неминуемо ведет к выделению тепла в металлических шинах. Поэтому ученые ищут альтернативные способы повысить производительность компьютеров. Одно из таких направлений — оптические интегральные схемы, в которых информация передается с помощью света. Фотоны гораздо слабее взаимодействуют с проводником, исключая нагрев устройств. Оптические сигналы уже зарекомендовали себя для передачи данных в оптоволокнах, но на наномасштабах, иначе - на чипе, готовых решений пока нет. Ученые из МФТИ подбирают оптимальные материалы, подходящие для создания оптических наноустройств. Такие материалы должны пропускать видимый свет (а еще лучше ультрафиолетовый) и иметь низкие оптические потери.
В качестве одного из таких перспективных материалов физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами изучили фосфид галлия. Ученые изготовили волноводы из его нанокристаллов, определили минимальный допустимый диаметр, при котором они будут передавать свет, и создали из двух кристаллов разветвитель.Метавселенная ВДНХ 
Для эксперимента ученые вырастили на кремниевой подложке нитиевидные нанокристаллы фосфида галлия разных диаметров. Такие «нити» можно использовать в качестве волновода — канала передающего свет, по сути, простейшего оптического элемента.
| | Мы показываем, что используя нитиевидные нанокристаллы, можно делать волноводы размером 100 нанометров — это важный шаг по снижению размеров оптических элементов. Меняя геометрию кристаллов можно фильтровать свет, который передает волновод, а варьируя их химический состав можно создавать и наноразмерные источники света для систем на чипе. рассказал Алексей Большаков, заведующий лабораторией функциональных наноматериалов МФТИ | |
В первой части эксперимента физики исследовали влияние диаметра волновода на его светопроводящие свойства. На один конец нанокристалла известного диаметра фокусировали лазерный пучок и смотрели в оптический микроскоп, высвечивается ли свет на другом конце. Минимальный диаметр кристалла, при котором свет проходил через волновод, зависел от длины волны лазера. Чем больше длина волны, тем шире должен быть волновод.
Затем ученые более детально исследовали пропускающие способности волновода. Для этого они вводили широколополосное лазерное излучение (от видимого до ближнего инфракрасного диапазона) в один конец нанопроволоки и измеряли спектр на другом. Выходной спектр зависел от ее диаметра. Определенные провода показали проявление пиков в спектрах пропускания. Это значит, что волноводы из фосфида галлия проявляют резонансные свойства — с их помощью можно усиливать свет определенной частоты, достигая фильтрации сигнала или генерацию лазерного излучения на наномасштабе.
В последней части работы исследователи создали еще один элемент оптической схемы — разветвитель. Они изогнули две нанопроволоки и соединили друг с другом в форме буквы «X». Освещая кончик одной из них, физики получали световой сигнал на концах обоих нанокристаллов, правда, разной частоты, то есть свет перетекал из одного волновода в другой. Соединяя несколько таких нанопроволок друг с другом можно создавать более сложные оптические элементы, необходимые для оптических схем. Эластичность и сохранение изгиба на подложке — особая характеристика нанокристаллов фосфида галлия. Ученые показали, что даже при сильном изгибе материал не разрушается, сохраняет форму и пропускает свет.
В ходе экспериментов материал продемонстрировал отличные оптические характеристики: низкие потери, пропускание видимого и инфракрасного света, а также механические — эластичность, которые делают фосфид галлия перспективным материалом для нанооптических устройств, заявили физики. Ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ показали, что на его основе можно создавать не только простейшие волноводы, но и фильтры, резонаторы и сложные элементы для оптических микросхем.
| | Мы экспериментально показали и теоретически объяснили, какие размеры должен иметь волновод из фосфида галлия, чтобы поддерживать передачу света. Далее направим усилия на изготовление более сложных оптических элементов: фильтров, интерферометров. Мы можем спектрально разделять оптические сигналы, используя схемы из нескольких наноструктур, что важно для создания логических элементов. Также мы создаем из других материалов волноводы, которые будут работать на других длинах волн света. поделился планами Алексей Большаков | |
В работе кроме сотрудников лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ принимали участие их коллеги из Алферовского университета, ВШЭ, ИТМО, СПбГУ, Политехнического университета (все - Санкт-Петербург) и Ереванского государственного университета.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российского научного фонда.Опубликована в научном журнале Small.
2022: Обнаружен физический эффект, который может лечь в основу квантовых устройств
Ученые из НИТУ МИСИС и МФТИ открыли физический эффект резонансных осцилляций сверхпроводящего критического тока в созданном научным коллективом джозефсоновском устройстве на основе нанокристалла топологического изолятора. Об этом 31 октября 2022 года сообщили представители НИТУ МИСИС.
Как сообщалось, мезоскопические устройства на основе топологических изоляторов — это настоящий научный клондайк, где ученые ищут и до сих пор находят множество фундаментальных и прикладных эффектов. Как можно понять уже из названия, материалы такого типа принято относить к изоляторам, или иначе — диэлектрикам либо полупроводникам, не пропускающим через себя электрический ток. Но за одним очень исключением: в своем тончайшем поверхностном слое этот материал проводит ток как металл.
Грубо говоря, можно представить себе топологический изолятор чем-то вроде фрагмента дерева, покрытого с двух сторон медью. Однако в данном случае речь идет не о двух веществах, а об однородном образце одного и того же материала. Причем материала такого, в котором особое квантовое состояние электронов в поверхностном слое делает их не просто переносчиками тока, но «топологически защищенными» переносчиками.
Это свойство обусловлено тем, что данные квантовые состояния электронов чрезвычайно стабильны — в отличие от обычных электронных состояний в металле, здесь они более устойчивы при взаимодействии с атомными дефектами, ступеньками или другими несовершенствами материала.
| | Мы обнаружили физический эффект осцилляций критического тока джозефсоновского контакта, состоящего из двух сверхпроводящих ниобиевых электродов, между которыми размещен нанокристалл топологического изолятора Bi2Te2.3Se0.7 гексагональной формы. Осцилляции появляются в температурном диапазоне от 400 до 20 мК (–272,7 °С) и имеют очень необычную остроконечную форму. Период этих осцилляций составляет всего 1 эрстед, что соответствует чрезвычайно малому энергетическому масштабу, примерно 1 мкэВ. Нами было установлено, что наблюдаемый эффект может быть обусловлен резонансным туннелированием андреевских квазичастиц между энергетическими уровнями, образующимися вблизи границ сверхпроводник/топологический изолятор. рассказал Василий Столяров, руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСиС, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ | |
Эксперименты проводились на рефрижераторе растворения BlueFors LD250. Для проведения таких прецизионных исследований был использован разработанный одним из соавторов метод фильтрации электронных и тепловых шумов.
По словам разработчиков, широкий диапазон температур, при котором проявляется пикообразная форма осцилляций и их сверхмалый период, являются прямым экспериментальным свидетельством того, что исследованный материал может послужить платформой для реализации квантовых устройств будущего.
Топологическая защищенность электронной подсистемы этого класса материалов может привести к оптимальной устойчивости таких устройств к источникам декогерентности, а значит, и более высокой точности вычислений по сравнению с используемыми на октябрь 2022 года физическими принципами в «классических» кубитах.
Следующим этапом исследования, как сообщили соавторы работы, станет совершенствование технологии синтеза нанокристалов, технологии изготовления непосредственных сверхпроводящих устройств, а также изучение того, как эффективно управлять квазичастичными андреевскими уровнями и как реализовать квантовое логическое устройство на их основе.
| | Наш результат имеет фундаментальное значение, поскольку ранее наличие андреевских уровней в системах с границами сверхпроводник/топологический изолятор не предсказывалось. Также из-за малого энергетического масштаба системы таких уровней невозможно было подумать и о наглядном электронно-транспортном эксперименте. В данном случае стечение обстоятельств позволило нам это сделать. заключил Василий Столяров | |
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 21-72-00140).
В работе, кроме ученых Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ и лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСиС, принимали участие их коллеги из Университета Сорбонна (Париж), Института технологий микроэлектроники РАН, Института физики твердого тела РАН и Университета Твенте (Нидерланды).
Результаты работы представлены в международном научном журнале Advanced Quantum Technologies.
Смотрите также
- Нанотрубки
- Нанопружины
- Нанорешетки
- Нанофотоника
- Наночастицы в медицине
- Нановолокна в медицине
- Нано-пленки нитрида бора
