0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Блестящая будущность квантовых наностержней

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

В ряд случайных и невероятно важных открытий — гравитация, пенициллин, Новый Свет (а как же!) — стоит добавить ещё и это: Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли при щедрой финансовой поддержке Министерства энергетики США наконец-то разобралась в том, почему многообещающая методика получения квантовых точек и наностержней, разработанная ранее здесь же и той же группой, не давала желаемых результатов. Более того, учёным удалось найти очень простое решение проблемы.

Команда исследователей, ведомая Полом Аливисатосом, директором лаборатории (оцените уровень проблемы, если к делу привлекли самого главного), выяснила, почему нанокристаллы, полученные из нескольких компонентов методом катионного обмена в растворе, демонстрировали совершенно неудовлетворительные люминесцентные способности. Как и следовало ожидать, всё дело было в примесях.

Представьте себе, простое нагревание нанокристаллов до 100 ˚C в водном растворе способствует их очищению от примесей, и наблюдаемая люминесценция возрастает в 400 раз в течение 30 часов (нагревания). Таким образом, после удаления загрязнений оптоэлектронные свойства нанокристаллов (катионный обмен, вода) стали сопоставимы с параметрами квантовых точек и наностержней, полученных обычным методом (эпитаксия или синтез из коллоидных растворов). Как надеются исследователи,

их открытие наконец-то поможет катионному обмену найти свой путь к сердцам производителей наноматериалов.

Рис. 1. Нанокристалл квантовой точки в качестве биомаркера (иллюстрация Equinox Graphics /Science Photo Library).

Более подробно с результатами работы можно ознакомиться в отчёте, опубликованном в журнале Angewandte Chemi. (Довольно необычный выбор для химиков из Нового Света — учитывая уровень авторов и имя спонсора; остаётся предположить, что в Nature просто не смогли оценить всю глубину прорыва.)

Квантовые точки и наностержни — это люминесцирующие полупроводниковые нанокристаллы, имеющие самый широкий спектр применения, включая имиджинг в биологических объектах, солнечную энергетику и дисплейные технологии.

Обычно нанокристаллы получают синтезом из коллоидных растворов (или эпитаксией). В качестве альтернативы группа г-на Аливисатоса предложила метод, также основанный на растворной технологии, в котором нанокристаллы химически трансформируются за счёт обмена буквально всех катионов в кристаллической решётке на катионы другого типа.

Этот способ сделал возможным получение новых типов наночастиц со структурой «ядро — оболочка», которые были недоступны при обычном синтезе. Наночастицы «ядро — оболочка» являются гетерогенными структурами, в которых один тип полупроводника заключён внутрь другого — к примеру, ядро селенида кадмия (CdSe) находится внутри оболочки из сульфида кадмия (CdS).

Таким образом, будучи действительно очень простой и недорогой технологией по производству мультикомпонентных нанокристаллов, катионобменная методика приводила к получению квантовых точек и наностержней, не обладающих, увы, хоть сколько-нибудь достойными оптическими и электрическими характеристиками. И тогда случилось чудо (ну или случайное открытие), которое распахнуло перед этой технологией двери в светлый мир реальных индустриальных применений!

Как рассказывает Прашант Джейн (тот, кто реально работал и сделал это открытие), однажды он случайно протестировал старый (шестимесячный) коллоидный раствор (взвесь) наночастиц CdSe/CdS под ультрафиолетом, чего обычно не делалось (вероятно, оттого что растворы так долго никогда не хранили). И оказалось, что люминесценция кристаллов за шесть месяцев стояния в воде возросла с семь раз!

А дальше логика подсказала метод ускорения очистки кристаллов с помощью доведения водного раствора до кипения.

Рис. 2. Люминесценция нанокристаллов CdSe/CuS, приготовленных методом катионного обмена. Слева — взвесь кристаллов до очистки, справа — она же, но уже после кипячения в воде. (Фото Prashant Jain / Berkeley).

Последующее тщательное изучение процесса очистки показало именно то, что и предполагалось с самого начала:

во всех бедах были виноваты загрязнения в виде исходных катионов, вытесненных из узлов элементарных ячеек и всё ещё остающихся где-то в пространстве кристаллической решетки.

Как говорит г-н Джейн, даже небольшого количества примесных катионов хватает, чтобы эффективно препятствовать движению носителей заряда. Во многих квантовых точках и наностержнях носители заряда делокализованы в пространстве всего кристалла, что весьма увеличивает вероятность их столкновения с примесями (и тут уж всё равно, сколько «грязи» содержит кристалл).

Нагревание же раствора приводит к удалению загрязнения и устранению примесных ловушек для носителей заряда, что обеспечивает электронам и дыркам время для излучательной рекомбинации и тем самым резко повышает выход люминесценции.

Популярные группы

Блестящая будущность квантовых наностержней

Квантовые наностержни позволяют создавать многофункциональные интерактивные дисплеи, которые одновременно излучают и поглощают свет. Для множества приложений, включая бурно растущий Интернет вещей, такие дисплеи станут подлинной находкой — если будут должным образом доведены до ума.

Экраны смартфонов, которые сами, без каких-либо добавочных слоёв, фиксируют световой поток. Видеопанели, способные напрямую, без проводов или радиомодулей, обмениваться данными. Дисплеи, подпитываемые энергией солнца в отсутствие внешних фотоэлементов. Всё это обещает стать реальностью в не самом отдалённом будущем — благодаря квантовым наностержням (nanorods), первые рабочие образцы которых уже получены и вовсю совершенствуются. Другой вопрос, найдутся ли инвесторы, чтобы помочь вывести эти исследования из лабораторной стадии?

Точки на палочке

Дисплейные технологии в наши дни уверенно освоили субмикронный масштаб благодаря квантовым точкам. Полупроводниковые объекты (чаще всего на основе селенида цинка, селенида кадмия или фосфида индия) размерами в считаные нанометры преобразуют падающий на них коротковолновой свет в излучение с большей длиной волны. Причём эта длина фиксирована и определяется одними только физическими габаритами квантовой точки: чем они меньше, тем ближе испускаемый свет к синему концу видимого спектра.

Кроме того, квантовые точки могут излучать свет и сами, если приложить к ним соответствующее напряжение. В современных видеопанелях чаще всего встречаются не самоизлучающие, а индуцируемые (подсвечиваемые) фоновыми светодиодами из нитрида галлия точки двух сортов. Одни из них преобразуют синее излучение с длиной волны 450-495 нм в практически монохромное красное (638 нм, характерные размеры самих точек — 3,0-5,0 нм), другие — в зелёное (527 нм, точки от 1,5 до 2,5 нм).

Квантовые точки считаются сегодня наиболее перспективной технологией для смартфонных, компьютерных и телевизионных экранов. Однако в нечто принципиально новое они дисплейную панель не превращают. Совсем другое дело — наностержни, которые создала и изучает группа исследователей из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне совместно с коллегами из южнокорейского Института исследований в области электроники и телекоммуникаций, а также из американской компании Dow Chemical.

Наностержни гантелевидной формы с длиной «грифа» около 5 нм и «утяжелителями» порядка 1 нм на концах образованы полупроводниками трёх разновидностей. Один из этих материалов, который формирует ядра «утяжелителей», способен преобразовывать электрический ток в видимый свет и наоборот. Внешние слои «утяжелителей» и «гриф» служат для транспортировки электронов и дырок — отрицательных и положительных зарядов, — причём работают они в зависимости от знака приложенного к наностержню напряжения в противофазе.

В режиме излучения «гриф» наностержня направляет поток электронов к внутренним областям — ядрам — «утяжелителей», а внешние их слои — оболочки — генерируют в том же направлении поток дырок. Рекомбинация отрицательных и положительных зарядов в ядрах порождает кванты видимого света: наностержень излучает обоими своими «утяжелителями».

При перемене знака приложенного напряжения процесс идёт в обратную сторону. Фотоны извне, попадая на полупроводниковые ядра, порождают электроны и дырки. «Гриф» способствует выводу электронов из области ядра, тогда как оболочка открывает дорогу дыркам. В результате, если с достаточно высокой частотой (речь идёт о десятках тысяч герц) менять напряжение, человеческий глаз не сможет уловить мерцания светового потока, — он будет казаться непрерывным и ровным.

Укрощение дисплейной наножидкости

Дисплей, составленный из такого рода наностержней, оказывается уже принципиально новым устройством по сравнению с привычными нам сегодня. Скажем, он без труда сможет избирательно корректировать свою яркость в зависимости от внешней засветки. Если экран на квантовых наностержнях частично освещён солнечными лучами, а частично остаётся в тени, не составит труда запрограммировать его микроконтроллер так, чтобы фиксирующие больший световой поток его элементы сами испускали свет интенсивнее, — и наоборот.

Светочувствительность каждого базового элемента такого дисплея позволит обойтись без дополнительных детекторов (например, инфракрасных), которые в наши дни заменяют собой контактные датчики на крупных интерактивных экранах. Каждый поднесённый к панели на наностержнях палец будет по контрасту с фоном уверенно распознан, что позволит фиксировать и отрабатывать управляющие жесты — в том числе мультитач. Разумеется, такая панель среагирует и на лазерную указку.

Интересны и коммуникативные возможности дисплеев на наностержнях. Если один такой экран размещён напротив другого, они способны будут обеспечить уверенный обмен информацией без применения проводов и радиоволн. Это может пригодиться во множестве экстремальных приложений (подводные работы, обслуживание аппаратов в космосе и тому подобное). Даже умные очки для повседневного ношения, если они когда-либо по распространённости догонят смартфоны, выиграют от возможности напрямую обмениваться данными с рекламными и информационными экранами.

Исследователи наностержней утверждают, что генерируемой их дисплеем в фазе поглощения света энергии будет вполне достаточно если не для полноценной подзарядки смартфона, то по крайней мере для ощутимого продления времени его автономной работы в условиях достаточной освещённости. Правда, для этого необходимо сперва такие дисплеи создать. Пока наностержни обеспечивают работу лишь достаточно крупных и вдобавок монохромных (красных) пикселей, — но разработчики уверены, что это только начало.

Исследователи из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне вместе с коллегами опубликовали результаты своих изысканий в журнале Science — и полны энтузиазма двигаться дальше. Главная проблема, которая стоит перед ними сейчас, — миниатюризация. Сам процесс формирования наноразмерных «гантелей» сравнительно прост, но есть нюанс: все используемые для этого материалы при нормальных (в физико-химическом смысле) условиях представляют собой растворы.

Читать еще:  Обзор видеокарты AMD Radeon RX 580: Polaris второго поколения

С одной стороны, это прекрасно, потому что удешевляет производство, позволяет в один присест получать мириады наностержней, а затем покрывать «дисплейной жидкостью» практически любую поверхность и использовать её в качестве экрана после высыхания. С другой — не очень, поскольку таким образом можно получать лишь довольно крупные пикселы, каждый из которых содержит великое множество наноразмерных «гантелей».

Чтобы существенно, хотя бы до десятков микрон, уменьшить размеры одиночного пиксела, необходимо прибегнуть к разработанным для микроэлектроники методам вроде литографии. Но в этом случае не обойтись без растворителей — которые практически гарантированно разрушат наностержни. Возможно, проблему решит создание печатающего «чернилами» с наностержнями принтера с

микронными допусками смещения головки — или же поиск иных материалов и технологий для формирования более стойких «гантелей». Но всё это требует дополнительных инвестиций.

Так или иначе, наностержни обещают не просто серьёзную подвиждку, а настоящий переворот в дисплеестроении. Найдутся ли средства для их совершенствования? Готовы ли будут глобальные лидеры дисплейного рынка, лишь недавно начавшие постепенный переход от традиционных ЖК к OLED и квантовым точкам, сделать ставку на ещё одну принципиально новую технологию? Время покажет. А пока можно изучить на YouTube снятый в лаборатории Иллинойского университета ролик, в котором крупные пикселы, содержащие наностержни, с готовностью светятся в ответ на стимулирование лазерной указкой.

Блестящая будущность квантовых наностержней

Экраны смартфонов, которые сами, без каких-либо добавочных слоёв, фиксируют световой поток. Видеопанели, способные напрямую, без проводов или радиомодулей, обмениваться данными. Дисплеи, подпитываемые энергией солнца в отсутствие внешних фотоэлементов. Всё это обещает стать реальностью в не самом отдалённом будущем — благодаря квантовым наностержням (nanorods), первые рабочие образцы которых уже получены и вовсю совершенствуются. Другой вопрос, найдутся ли инвесторы, чтобы помочь вывести эти исследования из лабораторной стадии?

⇡#Точки на палочке

Дисплейные технологии в наши дни уверенно освоили субмикронный масштаб благодаря квантовым точкам. Полупроводниковые объекты (чаще всего на основе селенида цинка, селенида кадмия или фосфида индия) размерами в считаные нанометры преобразуют падающий на них коротковолновой свет в излучение с большей длиной волны. Причём эта длина фиксирована и определяется одними только физическими габаритами квантовой точки: чем они меньше, тем ближе испускаемый свет к синему концу видимого спектра.

Кроме того, квантовые точки могут излучать свет и сами, если приложить к ним соответствующее напряжение. В современных видеопанелях чаще всего встречаются не самоизлучающие, а индуцируемые (подсвечиваемые) фоновыми светодиодами из нитрида галлия точки двух сортов. Одни из них преобразуют синее излучение с длиной волны 450-495 нм в практически монохромное красное (638 нм, характерные размеры самих точек — 3,0-5,0 нм), другие — в зелёное (527 нм, точки от 1,5 до 2,5 нм).

Квантовые точки считаются сегодня наиболее перспективной технологией для смартфонных, компьютерных и телевизионных экранов. Однако в нечто принципиально новое они дисплейную панель не превращают. Совсем другое дело — наностержни, которые создала и изучает группа исследователей из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне совместно с коллегами из южнокорейского Института исследований в области электроники и телекоммуникаций, а также из американской компании Dow Chemical.

Лазерный луч выписывает литеры UI, символизирующие Иллинойский университет, на крупной сетке из пикселов с квантовыми наностержнями, которые в ответ на облучение светятся красным. Credit: Moonsub Shim, University of Illinois

Наностержни гантелевидной формы с длиной «грифа» около 5 нм и «утяжелителями» порядка 1 нм на концах образованы полупроводниками трёх разновидностей. Один из этих материалов, который формирует ядра «утяжелителей», способен преобразовывать электрический ток в видимый свет и наоборот. Внешние слои «утяжелителей» и «гриф» служат для транспортировки электронов и дырок — отрицательных и положительных зарядов, — причём работают они в зависимости от знака приложенного к наностержню напряжения в противофазе.

В режиме излучения «гриф» наностержня направляет поток электронов к внутренним областям — ядрам — «утяжелителей», а внешние их слои — оболочки — генерируют в том же направлении поток дырок. Рекомбинация отрицательных и положительных зарядов в ядрах порождает кванты видимого света: наностержень излучает обоими своими «утяжелителями».

При перемене знака приложенного напряжения процесс идёт в обратную сторону. Фотоны извне, попадая на полупроводниковые ядра, порождают электроны и дырки. «Гриф» способствует выводу электронов из области ядра, тогда как оболочка открывает дорогу дыркам. В результате, если с достаточно высокой частотой (речь идёт о десятках тысяч герц) менять напряжение, человеческий глаз не сможет уловить мерцания светового потока, — он будет казаться непрерывным и ровным.

⇡#Укрощение дисплейной наножидкости

Дисплей, составленный из такого рода наностержней, оказывается уже принципиально новым устройством по сравнению с привычными нам сегодня. Скажем, он без труда сможет избирательно корректировать свою яркость в зависимости от внешней засветки. Если экран на квантовых наностержнях частично освещён солнечными лучами, а частично остаётся в тени, не составит труда запрограммировать его микроконтроллер так, чтобы фиксирующие больший световой поток его элементы сами испускали свет интенсивнее, — и наоборот.

Светочувствительность каждого базового элемента такого дисплея позволит обойтись без дополнительных детекторов (например, инфракрасных), которые в наши дни заменяют собой контактные датчики на крупных интерактивных экранах. Каждый поднесённый к панели на наностержнях палец будет по контрасту с фоном уверенно распознан, что позволит фиксировать и отрабатывать управляющие жесты — в том числе мультитач. Разумеется, такая панель среагирует и на лазерную указку.

Интересны и коммуникативные возможности дисплеев на наностержнях. Если один такой экран размещён напротив другого, они способны будут обеспечить уверенный обмен информацией без применения проводов и радиоволн. Это может пригодиться во множестве экстремальных приложений (подводные работы, обслуживание аппаратов в космосе и тому подобное). Даже умные очки для повседневного ношения, если они когда-либо по распространённости догонят смартфоны, выиграют от возможности напрямую обмениваться данными с рекламными и информационными экранами.

Исследователи наностержней утверждают, что генерируемой их дисплеем в фазе поглощения света энергии будет вполне достаточно если не для полноценной подзарядки смартфона, то по крайней мере для ощутимого продления времени его автономной работы в условиях достаточной освещённости. Правда, для этого необходимо сперва такие дисплеи создать. Пока наностержни обеспечивают работу лишь достаточно крупных и вдобавок монохромных (красных) пикселей, — но разработчики уверены, что это только начало.

Исследователи из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне вместе с коллегами опубликовали результаты своих изысканий в журнале Science — и полны энтузиазма двигаться дальше. Главная проблема, которая стоит перед ними сейчас, — миниатюризация. Сам процесс формирования наноразмерных «гантелей» сравнительно прост, но есть нюанс: все используемые для этого материалы при нормальных (в физико-химическом смысле) условиях представляют собой растворы.

С одной стороны, это прекрасно, потому что удешевляет производство, позволяет в один присест получать мириады наностержней, а затем покрывать «дисплейной жидкостью» практически любую поверхность и использовать её в качестве экрана после высыхания. С другой — не очень, поскольку таким образом можно получать лишь довольно крупные пикселы, каждый из которых содержит великое множество наноразмерных «гантелей».

Чтобы существенно, хотя бы до десятков микрон, уменьшить размеры одиночного пиксела, необходимо прибегнуть к разработанным для микроэлектроники методам вроде литографии. Но в этом случае не обойтись без растворителей — которые практически гарантированно разрушат наностержни. Возможно, проблему решит создание печатающего «чернилами» с наностержнями принтера с микронными допусками смещения головки — или же поиск иных материалов и технологий для формирования более стойких «гантелей». Но всё это требует дополнительных инвестиций.

Так или иначе, наностержни обещают не просто серьёзную подвиждку, а настоящий переворот в дисплеестроении. Найдутся ли средства для их совершенствования? Готовы ли будут глобальные лидеры дисплейного рынка, лишь недавно начавшие постепенный переход от традиционных ЖК к OLED и квантовым точкам, сделать ставку на ещё одну принципиально новую технологию? Время покажет. А пока можно изучить на YouTube снятый в лаборатории Иллинойского университета ролик, в котором крупные пикселы, содержащие наностержни, с готовностью светятся в ответ на стимулирование лазерной указкой.

Статья: Блестящая будущность квантовых наностержней

Экраны смартфонов, которые сами, без каких-либо добавочных слоёв, фиксируют световой поток. Видеопанели, способные напрямую, без проводов или радиомодулей, обмениваться данными. Дисплеи, подпитываемые энергией солнца в отсутствие внешних фотоэлементов. Всё это обещает стать реальностью в не самом отдалённом будущем — благодаря квантовым наностержням (nanorods), первые рабочие образцы которых уже получены и вовсю совершенствуются. Другой вопрос, найдутся ли инвесторы, чтобы помочь вывести эти исследования из лабораторной стадии?

⇡#Точки на палочке

Дисплейные технологии в наши дни уверенно освоили субмикронный масштаб благодаря квантовым точкам. Полупроводниковые объекты (чаще всего на основе селенида цинка, селенида кадмия или фосфида индия) размерами в считаные нанометры преобразуют падающий на них коротковолновой свет в излучение с большей длиной волны. Причём эта длина фиксирована и определяется одними только физическими габаритами квантовой точки: чем они меньше, тем ближе испускаемый свет к синему концу видимого спектра.

Кроме того, квантовые точки могут излучать свет и сами, если приложить к ним соответствующее напряжение. В современных видеопанелях чаще всего встречаются не самоизлучающие, а индуцируемые (подсвечиваемые) фоновыми светодиодами из нитрида галлия точки двух сортов. Одни из них преобразуют синее излучение с длиной волны 450-495 нм в практически монохромное красное (638 нм, характерные размеры самих точек — 3,0-5,0 нм), другие — в зелёное (527 нм, точки от 1,5 до 2,5 нм).

Квантовые точки считаются сегодня наиболее перспективной технологией для смартфонных, компьютерных и телевизионных экранов. Однако в нечто принципиально новое они дисплейную панель не превращают. Совсем другое дело — наностержни, которые создала и изучает группа исследователей из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне совместно с коллегами из южнокорейского Института исследований в области электроники и телекоммуникаций, а также из американской компании Dow Chemical.

Лазерный луч выписывает литеры UI, символизирующие Иллинойский университет, на крупной сетке из пикселов с квантовыми наностержнями, которые в ответ на облучение светятся красным. Credit: Moonsub Shim, University of Illinois

Читать еще:  Onrush — возвращение безумных аркад

Наностержни гантелевидной формы с длиной «грифа» около 5 нм и «утяжелителями» порядка 1 нм на концах образованы полупроводниками трёх разновидностей. Один из этих материалов, который формирует ядра «утяжелителей», способен преобразовывать электрический ток в видимый свет и наоборот. Внешние слои «утяжелителей» и «гриф» служат для транспортировки электронов и дырок — отрицательных и положительных зарядов, — причём работают они в зависимости от знака приложенного к наностержню напряжения в противофазе.

В режиме излучения «гриф» наностержня направляет поток электронов к внутренним областям — ядрам — «утяжелителей», а внешние их слои — оболочки — генерируют в том же направлении поток дырок. Рекомбинация отрицательных и положительных зарядов в ядрах порождает кванты видимого света: наностержень излучает обоими своими «утяжелителями».

При перемене знака приложенного напряжения процесс идёт в обратную сторону. Фотоны извне, попадая на полупроводниковые ядра, порождают электроны и дырки. «Гриф» способствует выводу электронов из области ядра, тогда как оболочка открывает дорогу дыркам. В результате, если с достаточно высокой частотой (речь идёт о десятках тысяч герц) менять напряжение, человеческий глаз не сможет уловить мерцания светового потока, — он будет казаться непрерывным и ровным.

⇡#Укрощение дисплейной наножидкости

Дисплей, составленный из такого рода наностержней, оказывается уже принципиально новым устройством по сравнению с привычными нам сегодня. Скажем, он без труда сможет избирательно корректировать свою яркость в зависимости от внешней засветки. Если экран на квантовых наностержнях частично освещён солнечными лучами, а частично остаётся в тени, не составит труда запрограммировать его микроконтроллер так, чтобы фиксирующие больший световой поток его элементы сами испускали свет интенсивнее, — и наоборот.

Светочувствительность каждого базового элемента такого дисплея позволит обойтись без дополнительных детекторов (например, инфракрасных), которые в наши дни заменяют собой контактные датчики на крупных интерактивных экранах. Каждый поднесённый к панели на наностержнях палец будет по контрасту с фоном уверенно распознан, что позволит фиксировать и отрабатывать управляющие жесты — в том числе мультитач. Разумеется, такая панель среагирует и на лазерную указку.

Интересны и коммуникативные возможности дисплеев на наностержнях. Если один такой экран размещён напротив другого, они способны будут обеспечить уверенный обмен информацией без применения проводов и радиоволн. Это может пригодиться во множестве экстремальных приложений (подводные работы, обслуживание аппаратов в космосе и тому подобное). Даже умные очки для повседневного ношения, если они когда-либо по распространённости догонят смартфоны, выиграют от возможности напрямую обмениваться данными с рекламными и информационными экранами.

Исследователи наностержней утверждают, что генерируемой их дисплеем в фазе поглощения света энергии будет вполне достаточно если не для полноценной подзарядки смартфона, то по крайней мере для ощутимого продления времени его автономной работы в условиях достаточной освещённости. Правда, для этого необходимо сперва такие дисплеи создать. Пока наностержни обеспечивают работу лишь достаточно крупных и вдобавок монохромных (красных) пикселей, — но разработчики уверены, что это только начало.

Исследователи из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне вместе с коллегами опубликовали результаты своих изысканий в журнале Science — и полны энтузиазма двигаться дальше. Главная проблема, которая стоит перед ними сейчас, — миниатюризация. Сам процесс формирования наноразмерных «гантелей» сравнительно прост, но есть нюанс: все используемые для этого материалы при нормальных (в физико-химическом смысле) условиях представляют собой растворы.

С одной стороны, это прекрасно, потому что удешевляет производство, позволяет в один присест получать мириады наностержней, а затем покрывать «дисплейной жидкостью» практически любую поверхность и использовать её в качестве экрана после высыхания. С другой — не очень, поскольку таким образом можно получать лишь довольно крупные пикселы, каждый из которых содержит великое множество наноразмерных «гантелей».

Чтобы существенно, хотя бы до десятков микрон, уменьшить размеры одиночного пиксела, необходимо прибегнуть к разработанным для микроэлектроники методам вроде литографии. Но в этом случае не обойтись без растворителей — которые практически гарантированно разрушат наностержни. Возможно, проблему решит создание печатающего «чернилами» с наностержнями принтера с микронными допусками смещения головки — или же поиск иных материалов и технологий для формирования более стойких «гантелей». Но всё это требует дополнительных инвестиций.

Так или иначе, наностержни обещают не просто серьёзную подвиждку, а настоящий переворот в дисплеестроении. Найдутся ли средства для их совершенствования? Готовы ли будут глобальные лидеры дисплейного рынка, лишь недавно начавшие постепенный переход от традиционных ЖК к OLED и квантовым точкам, сделать ставку на ещё одну принципиально новую технологию? Время покажет. А пока можно изучить на YouTube снятый в лаборатории Иллинойского университета ролик, в котором крупные пикселы, содержащие наностержни, с готовностью светятся в ответ на стимулирование лазерной указкой.

Квантовая запутанность — королева парадоксов

Не так давно физики показали первые результаты работы миссии QUESS и запущенного в ее рамках на орбиту спутника Mozi, обеспечив рекордное разделение квантово запутанных фотонов расстоянием более 1200 км. В будущем это может привести к созданию квантовой линии связи между Пекином и Европой.

Мир вокруг велик и разнообразен – разнообразен настолько, что на одних масштабах проявляются законы, совершенно немыслимые для других. Законы политики и битломания никак не следуют из устройства атома – для их описания требуются свои «формулы» и свои принципы. Трудно представить, чтобы яблоко – макроскопический объект, поведение которого обычно следует законам ньютоновской механики, – взяло и исчезло, слилось с другим яблоком, превратившись в ананас. А между тем именно такие парадоксальные феномены проявляются на уровне элементарных частиц. Узнав, что это яблоко красное, вряд ли мы сделаем зеленым другое, находящееся где-нибудь на орбите. А между тем именно так действует явление квантовой запутанности, и именно это продемонстрировали китайские физики, с работы которых мы начали наш разговор. Попробуем разобраться, что же это такое и чем может помочь человечеству.

Бор, Эйнштейн и другие

Мир вокруг локален – иначе говоря, для того чтобы какой-то далекий объект изменился, он должен провзаимодействовать с другим объектом. При этом никакое взаимодействие не может распространяться со скоростью быстрее световой: это и делает физическую реальность локальной. Яблоко не может шлепнуть Ньютона по голове, не добравшись до нее физически. Вспышка на Солнце не может мгновенно сказаться на работе спутников: заряженным частицам придется преодолеть расстояние до Земли и провзаимодействовать с электроникой и частицами атмосферы. Но вот в квантовом мире локальность нарушается.

Самым знаменитым из парадоксов мира элементарных частиц можно назвать принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому невозможно точно определить величину обеих «парных» характеристик квантовой системы. Положение в пространстве (координата) или скорость и направление движения (импульс), ток или напряжение, величина электрической или магнитной компоненты поля – все это «взаимодополняющие» параметры, и чем точнее мы измерим один из них, тем менее определенным станет второй.

Когда-то именно принцип неопределенности вызвал непонимание Эйнштейна и его знаменитое скептическое возражение «Бог не играет в кости». Однако, похоже, играет: все известные эксперименты, косвенные и прямые наблюдения и расчеты указывают, что принцип неопределенности является следствием фундаментальной недетерменированности нашего мира. И снова мы приходим к несочетанию масштабов и уровней реальности: там, где существуем мы, все вполне определенно: если разжать пальцы и отпустить яблоко, оно упадет, притянутое гравитацией Земли. Но на уровне более глубинном причин и следствий попросту нет, а существует лишь пляска вероятностей.

Парадоксальность квантово запутанного состояния частиц в том и состоит, что «удар по голове» может произойти ровно одновременно с отрывом яблока от ветки. Запутанность нелокальна, и изменение объекта в одном месте мгновенно – и без всякого очевидного взаимодействия – меняет другой объект совершенно в другом. Теоретически мы можем отнести одну из запутанных частиц хоть на другой конец Вселенной, но все равно стоит нам «коснуться» ее партнера, оставшегося на Земле, и вторая частица откликнется моментально. Самому Эйнштейну поверить в это было непросто, и спор его с Нильсом Бором и коллегами из «лагеря» квантовой механики стал одним из самых увлекательных сюжетов в современной истории науки. «Реальность определенна, – как бы говорили Эйнштейн и его сторонники, – несовершенны лишь наши модели, уравнения и инструменты». «Модели могут быть какими угодно, но сама реальность в основе нашего мира никогда не определена до конца», – возражали адепты квантовой механики.

Выступая против ее парадоксов, в 1935 г. Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном сформулировал свой парадокс. «Ну хорошо, – рассуждали они, – допустим, узнать одновременно координату и импульс частицы невозможно. Но что, если у нас есть две частицы общего происхождения, состояния которых идентичны? Тогда мы можем измерить импульс одной, что даст нам косвенным образом сведения об импульсе другой, и координату другой, что даст знание координаты первой». Такие частицы были чисто умозрительной конструкцией, мысленным экспериментом – возможно, поэтому достойный ответ Нильсу Бору (а точнее, его последователям) удалось найти только 30 лет спустя.

Пожалуй, первый призрак квантово-механических парадоксов наблюдал еще Генрих Герц, заметивший, что если электроды разрядника осветить ультрафиолетом, то прохождение искры заметно облегчается. Эксперименты Столетова, Томсона и других великих физиков позволили понять, что происходит это благодаря тому, что под действием излучения вещество испускает электроны. Однако происходит это совершенно не так, как подсказывает логика; например, энергия высвободившихся электронов не будет выше, если мы увеличим интенсивность излучения, зато возрастет, если мы уменьшим его частоту. Увеличивая же эту частоту, мы придем к границе, за которой никакого фотоэффекта вещество не проявляет – этот уровень у разных веществ разный.

Объяснить эти феномены удалось Эйнштейну, за что он и был удостоен Нобелевской премии. Связаны они с квантованием энергии – с тем, что она может передаваться лишь определенными «микропорциями», квантами. Каждый фотон излучения несет определенную энергию, и если ее достаточно, то электрон поглотившего его атома вылетит на свободу. Энергия фотонов обратно пропорциональна длине волны, и при достижении границы фотоэффекта ее уже недостаточно даже для сообщения электрону минимально нужной для выхода энергии. Сегодня это явление встречается нам повсеместно – в виде солнечных батарей, фотоэлементы которых работают именно на основе этого эффекта.

Читать еще:  Пингвин для ребенка — детские дистрибутивы Linux

Эксперименты, интерпретации, мистика

В середине 1960-х Джон Белл заинтересовался проблемой нелокальности в квантовой механике. Ему удалось предложить математическую основу для вполне осуществимого эксперимента, который должен заканчиваться одним из альтернативных результатов. Первый итог «срабатывал», если принцип локальности действительно нарушается, второй – если все-таки он действует всегда и нам придется искать какую-то другую теорию для описания мира частиц. Уже в начале 1970-х такие эксперименты были поставлены Стюартом Фридманом и Джоном Клаузером, а затем – Аленом Аспэном. Упрощенно говоря, задача состояла в создании пар спутанных фотонов и измерении их спинов, одного за другим. Статистические наблюдения показали, что спины оказываются не свободными, а скоррелированными друг с другом. Такие опыты проводятся с тех пор почти непрерывно, все более точные и совершенные – и результат один и тот же.

Стоит добавить, что механизм, объясняющий квантовую запутанность, неясен до сих пор, существует лишь явление – и различные интерпретации дают свои объяснения. Так, в многомировой интерпретации квантовой механики запутанные частицы – это лишь проекции возможных состояний одной-единственной частицы в других параллельных вселенных. В транзакционной интерпретации эти частицы связывают стоячие волны времени. Для «квантовых мистиков» феномен запутанности – еще один повод рассматривать парадоксальный базис мира как способ объяснения всему непонятному, от самих элементарных частиц до человеческого сознания. Мистиков можно понять: если вдуматься, то от последствий кружится голова.

Простой опыт Клаузера–Фридмана указывает на то, что локальность физического мира в масштабе элементарных частиц может нарушаться, и сама основа реальности оказывается – к ужасу Эйнштейна – расплывчатой и неопределенной. Это не значит, что взаимодействие или информация могут передаваться мгновенно, за счет запутанности. Разнесение запутанных частиц в пространстве идет с обычной скоростью, результаты измерения случайны, и пока мы не измерим одну частицу, вторая не будет содержать никакой информации о будущем результате. С точки зрения получателя второй частицы, результат совершенно случаен. Почему же все это нас интересует?

Кажется, при разговоре о принципе неопределенности мы уронили яблоко? Поднимите его и бросьте об стену – разумеется, оно разобьется, ведь в макромире не работает еще один квантово-механический парадокс – туннелирование. При туннелировании частица способна преодолевать энергетический барьер более высокий, чем ее собственная энергия. Аналогия с яблоком и стеной, конечно, очень приблизительная, зато наглядная: туннельный эффект позволяет фотонам проникать внутрь отражающей среды, а электронам – «не замечать» тонкой пленки оксида алюминия, которая покрывает провода и вообще-то является диэлектриком.

Наша бытовая логика и законы классической физики к квантовым парадоксам не слишком-то приложимы, но они все равно работают и широко применяются в технике. Физики как будто (временно) решили: пусть мы пока не знаем до конца, как это работает, но пользу из этого можно извлечь уже сегодня. Туннельный эффект лежит в основе работы некоторых современных микрочипов – в виде туннельных диодов и транзисторов, туннельных переходов и т. д. И, конечно, нельзя забывать о сканирующих туннельных микроскопах, в которых туннелирование частиц обеспечивает наблюдение за отдельными молекулами и атомами – и даже манипуляцию ими.

Коммуникация, телепортация и спутник

В самом деле, давайте представим, что мы «квантово запутали» два яблока: если первое яблоко окажется красным, то второе обязательно зеленым, и наоборот. Мы можем отправить одно из Петербурга в Москву, сохранив их спутанное состояние, но это, казалось бы, все. Только когда в Петербурге яблоко будет измерено как красное, второе станет зеленым в Москве. До момента измерения возможности предсказать состояние яблока нет, потому что (все те же парадоксы!) самого определенного состояния они не имеют. Какой же в этом запутывании толк. А толк нашелся уже в 2000‑х, когда Эндрю Джордан и Александр Коротков, опираясь на идеи советских физиков, нашли способ как бы «не до конца» измерять, а значит, и фиксировать состояния частиц.

Используя «слабые квантовые измерения», можно как бы взглянуть на яблоко вполглаза, мельком, стараясь угадать его цвет. Можно проделывать такое снова и снова, фактически не посмотрев на яблоко как следует, но вполне уверенно определиться с тем, что оно, например, красное, а значит, спутанное с ним яблоко в Москве будет зеленым. Это позволяет использовать спутанные частицы снова и снова, а предложенные около 10 лет назад методы позволяют хранить их, запустив бегать по кругу неопределенно долгое время. Остается унести одну из частиц подальше – и получить исключительно полезную систему.

Откровенно говоря, создается ощущение, что пользы в запутанных частицах куда больше, чем принято думать, просто наша скудная фантазия, скованная все тем же макроскопическим масштабом реальности, не позволяет придумать им настоящие применения. Впрочем, и уже существующие предложения вполне фантастичны. Так, на основе спутанных частиц можно организовать канал для квантовой телепортации, полного «считывания» квантового состояния одного объекта и «записи» его в другой, как если бы первый просто перенесся на соответствующее расстояние. Более реалистичны перспективы квантовой криптографии, алгоритмы которой обещают почти «невзламываемые» каналы связи: любое вмешательство в их работу скажется на состоянии запутанных частиц и будет тут же замечено владельцем. Тут-то на сцену и выходит китайский эксперимент QESS (Quantum Experiments at Space Scale – «Квантовые эксперименты в космическом масштабе»).

Компьютеры и спутники

Проблема в том, что на Земле трудно создать надежную связь для разнесенных на большое расстояние запутанных частиц. Даже в самом совершенном оптоволокне, по которому идет передача фотонов, сигнал постепенно затухает, а требования к нему здесь особенно высокие. Китайские ученые даже подсчитали, что если создавать запутанные фотоны и рассылать их в две стороны с плечами длиной около 600 км – по половине расстояния от центра квантовой науки в Дэлинхе до центров в Шэньчжэне и Лицзяне, – то можно рассчитывать поймать по спутанной паре примерно за 30 тыс. лет. Иное дело космос, в глубоком вакууме которого фотоны пролетают такое расстояние, не встречая каких-либо преград. И тут на сцену выходит экспериментальный спутник Mozi («Мо-Цзы»).

На космическом орбитальном аппарате установили источник (лазер и нелинейный кристалл), каждую секунду выдававший несколько миллионов пар запутанных фотонов. С дистанции от 500 до 1700 км одни эти фотоны направлялись в наземную обсерваторию в Дэлинхе на Тибете, а вторые – в Шэньчжэне и Лицзяне на юге Китая. Как и можно было ожидать, основные потери частиц происходили в нижних слоях атмосферы, однако это лишь около 10 км пути каждого пучка фотонов. В результате же канал запутанных частиц покрыл расстояние от Тибета до юга страны – около 1200 км, а в ноябре этого года была открыта новая линия, которая соединяет провинцию Аньхой на востоке с центральной провинцией Хубэй. Пока что каналу не хватает надежности, но это уже дело техники.

В ближайшее время китайцы планируют запуск более совершенных спутников для организации таких каналов и обещают, что уже скоро мы увидим действующую квантовую связь между Пекином и Брюсселем, фактически с одного конца континента до другого. Очередной «невозможный» парадокс квантовой механики обещает очередной скачок в технологиях.

Квантовые чудеса: эксперимент доказывает, что будущее влияет на прошлое

«Бесполезно возвращаться во вчера, потому что тогда я была другим человеком»

— Льюис Кэрролл, «Алиса в Стране Чудес»

Как вы думаете, прощение врага сегодня или в ближайшем будущем может повлиять на исход войны, рабства и лишений, которые претерпели наши предки? Это может показаться странным, но недавние эксперименты квантовых ученых доказали, что происходящее в будущем может повлиять на прошлое.

Вся наша реальность — это абстракция, доказанная недавно экспериментом, проведенным в Австралии, когда частицы в прошлом менялись в зависимости от их наблюдения и измерения в будущем. Пока они не были измерены, их «реальность» оставалась гибкой.

Мы все сделаны из субатомных частиц. Для простого объяснения квантового мира вы можете посмотреть видео, где «Dr. Quantum «объясняет знаменитый эксперимент с двойной щелью.

Как объясняет двойной разрез, квантовый мир может быть странным. Вещи, похоже, не следуют нормальной логике. Они могут быть сразу двумя вещами, и перед наблюдением присутствуют многие возможности.

Частицы могут даже путешествовать через «материальные» объекты, как призрак, движущийся сквозь стены. Неудивительно, что Эйнштейн назвал квантовый мир «жутким». Тогда Нильс Бор, пионер квантовой теории, сказал:

«Если квантовая механика вас не потрясла, значит вы ее еще не поняли»

Однако этот последний эксперимент доказывает, что на субатомном уровне время может идти назад. Ведущий исследователь Эндрю Траскотт в пресс-релизе сказал, что физики доказали, что «реальности не существует, если вы не смотрите на нее».

Только недавно свет был захвачен на фотографии в состоянии как частицы, так и волны одновременно.

Субатомная световая волна / частица

Используя другие квантовые теории, ученые установили, что субатомная частица также может существовать более чем в одном месте одновременно. Это обозначается термином «нелокальность».

Эти выводы являются подтверждением. Однако некоторые из самых больших парадоксов древней мудрости — то, что мы делаем в это время и пространство, в котором мы живем и «существуем» в материальной форме, влияет на все другое время и пространство.

Пол Дэвис, британский математик-физик, который теперь является профессором физики и естественной философии Университета Аделаиды, говорит:

«Мне очень трудно признать, что наше существование в мире — это то, что просто происходит. Мне кажется, что тот факт, что Вселенная является самосознанием, — это то, что написано в законах природы. Мы здесь как часть действия, а не только для путешествия».

Если эти квантовые эксперименты верны, мы могли бы переписать нашу собственную историю и одновременно изменить будущие результаты. Представьте себе миры, которые мы могли бы создать! Чудеса Алисы стали еще интереснее.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector