ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

Аномальная термическая устойчивость фуллерена C20 - возможна высокотемпературная  сверхпроводимость?

После открытия фуллерена С60 резко возрос интерес к кластерам углерода, что обусловлено как их необычными физико-химическими свойствами, так и перспективами практического использования. Самым маленьким из экспериментально наблюдавшихся на сегодняшний день “трёхмерных” кластеров углерода является кластер С20 [1]. Он представляет собой наименьший из фуллеренов – сферообразных структур, на “поверхности” которых атомы углерода расположены в вершинах пятиугольников или шестиугольников. В фуллерене С20 присутствуют только пятиугольники. Кластер С20 может существовать как в форме фуллерена или, по-другому, “клетки” (cage), так и в форме “чаши” (bowl), кольца, цепочки  и др. (см. рис.1). Вопрос о сравнительной устойчивости этих изомеров ещё окончательно не решён. Экспериментальные данные пока остаются неполными и противоречивыми, а теоретические расчёты приводят к заметно различающимся результатам. Отчасти это связано с тем, что различия энергий изомеров сравнимы с погрешностями используемых методов расчёта. Тем не менее большинство авторов, использующих наиболее точные современные вычислительные алгоритмы, сходятся во мнении, что из всех изомеров С20 минимальной энергией обладает “чаша”, тогда как “клетка” представляет собой метастабильную конфигурацию. В то же время можно считать доказанным, что экспериментально [1] наряду с “чашами” С20 были синтезированы и “клетки” С20 [2,3]. Таким образом, возникает вопрос: почему в условиях реального эксперимента фуллерен С20 сохраняет свою “энергетически невыгодную” химическую структуру и не переходит в конфигурацию с более низкой энергией?

Рис.1. Изомеры кластера С20.
(а) фуллерен (“клетка”) (b) “чаша”.

 

В работе [4] сотрудников кафедры сверхпроводимости и физики наноструктур МИФИ представлены результаты детального численного моделирования динамики фуллерена С20 при различных температурах. Показано, что хотя этот изомер и является метастабильным, он тем не менее очень устойчив относительно перехода в конфигурацию с более низкой энергией и сохраняет свою химическую структуру при нагреве до очень высоких температур Т » 3000К. В результате трудоемких расчетов авторам [4] удалось набрать статистику, достаточную для непосредственного определения энергии активации распада фуллерена С20 по зависимости его времени жизни от температуры (рис.2). Она оказалась равной Ea » 7эВ. Оригинальным методом были также изучены возможные пути распада кластера и найдена высота минимального потенциального барьера, препятствующего распаду, U = 5.0эВ (рис.3). Полученные результаты свидетельствуют об очень большом времени жизни фуллерена С20 (даже при комнатной температуре) и позволяют, таким образом, понять причину его аномальной устойчивости при нормальных условиях. Если уж на определенном этапе синтеза “клетка” C20 формируется, то в дальнейшем она сохраняет свою форму.

Рис.2. Логарифм “критического” числа шагов молекулярной динамики Nc, при котором происходит распад фуллерена С20,
как функция обратной температуры ионной подсистемы. Время одного шага Dt = 2.72×10-16 сек. Наклон этой прямой определяет величину энергии активации распада Ea.

Рис.3. Схематическое изображение зависимости полной энергии
E кластера C20 от “обобщенной координаты” в 3N-мерном пространстве координат атомов. За начало отсчета принята энергия одного изолированного атома углерода. Цифры соответствуют следующим конфигурациям:

1 – фуллерен (“клетка”), E = -121.56 эВ;

2, 4, 6, 8 – седловые точки;

3, 5, 7, 9 – метастабильные состояния;

10 – равновесная конфигурация “чаша”, E = -122.71 эВ.

Хотя все сказанное относится к изолированной “клетке” C20, по аналогии с кластером C60 можно надеяться на существование кластерного вещества (фуллерита) на основе фуллеренов C20. Предварительные данные, во всяком случае, являются достаточно обнадеживающими [5, 6]. Окончательный ответ на этот вопрос требует дальнейших экспериментальных и теоретических исследований, одним из стимулов для которых является то, что фуллерит C20, если он будет синтезирован, может оказаться высокотемпературным сверхпроводником [7].

Л.Опенов

  1. Nature 2000, 407, 60
  2. Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 035503
  3. Phys. Rev. B 2003, 67, 125415
  4. ФТТ 2005, 47, 751
  5. Phys. Rev. B 2002, 66, 035405
  6. Phys. Rev. B 2001, 64, 245405
  7. Europhys. Lett. 2002, 59, 572

Получение двухслойных нанотрубок в доступном количестве

Одной из модификаций углеродных нанотрубок являются открытые недавно двухслойные углеродные нанотрубки (ДСУНТ), представляющие собой вложенные друг в друга коаксиальные цилиндры, выполненные из гексагональной графитовой поверхности. Этот материал обладает уникальными физико-химическими свойствами, которые еще до конца не исследованы. Недостаточная изученность ДСУНТ обусловлена в первую очередь тем, что существующие методы их синтеза позволяют получать лишь крайне небольшие количества данного вещества, к тому же сильно загрязненного частицами металлического катализатора, графитовыми наночастицами и многослойными нанотрубками. Недавно группой японских (Shinshu Univ.), мексиканских (Advanced Materials Department, IPICYT) и американских (Massachusetts Inst. Technology) исследователей развит метод получения чистых ДСУНТ в виде тканеподобного материала, удобного для исследований и возможных приложений. Синтез производился методом химического осаждения паров с использованием катализаторов на основе молибдена и железа. Смесь Ar+CH4 в отношении 1:1 в течение 10 мин. прокачивали через реактор, заполненный катализаторами, при температуре 875оС. Для удаления частиц катализатора полученный материал в течение 10 часов обрабатывали при температуре 100оС в 18% -ном растворе соляной кислоты. Затем материал в течение 30 мин. подвергали воздействию горячего воздуха (500оС) для удаления частиц аморфного углерода и однослойных нанотрубок, которые обладают более высокой химической активностью, чем ДСУНТ. В результате фильтрации получали механически стабильный тканеподобный материал, обладающий повышенной гибкостью. Наблюдения, выполненные с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показали, что этот материал примерно на 95% состоит из ДСУНТ, объединенных в жгуты. Анализ спектров комбинационного рассеяния синтезированного материала указывает на наличие двух групп двухслойных нанотрубок, в одной из которых отношение внутреннего диаметра к внешнему составляет примерно 0.77:1.43, а в другой – 0.90:1.60.

 

Рис. 1. Типичное TEM изображение жгутов из ДСУНТ, демонстрирующее совершенную гексагональную упаковку

(шкала полоски – 5нм).

А.В.Елецкий

 

  1. Nature 2005, 433, 476

Сильноточный катод на основе углеродных нанотрубок

Развитие полевых эмиссионных катодов на основе углеродных нанотрубок идет по пути увеличения токов эмиссии и площади эмитирующей поверхности. При больших токах эмиссии такие катоды имеют относительно короткое время жизни, обусловленное термическим разрушением нанотрубок. Проблема практически не возникает в условиях импульсной работы катода, характерных для мощных источников СВЧ излучения. Недавно [1] в одном из университетов штата Северная Каролина (США) разработан импульсный источник с нанотрубным катодом, обеспечивающий рекордную плотность тока электронной эмиссии (на уровне нескольких десятков А/см2).

В эксперименте вакуумный диод диаметром около 15см помещали в цилиндр из нержавеющей стали длиной 76см и диаметром 68.25см, откачанный до давления порядка 10-8Торр. Эксперименты проводили при межэлектродном расстоянии 4см. Материал катода - однослойные углеродные нанотрубки, объединенные в жгуты диаметром 20 – 30нм и длиной в десятки мкм, очищенные методом ультразвуковой фильтрации и нанесенные на металлическую подложку в виде суспензии. Вольт-амперные характеристики катода, измеренные в импульсном режиме (длительность импульса 1мкс, частота повторения 3Гц) в диапазоне приложенного напряжения от 100 до 330 кВ, указывают на ограничение катодного тока, обусловленное пространственным зарядом электронов. В указанном диапазоне изменения напряжения импульсный ток эмиссии изменяется монотонным образом от 0.5 до 400кА. Нарушение стабильной работы катода наблюдается после примерно 3000 импульсов. При этом в центральной части катода образуется высоковольтная дуга, вызывающая плавление металлической подложки.

А.В.Елецкий

1.      IEEE Trans. Plasma Sci. 2004, 32, 2152

Углеродные нанотрубки вредны так же, как асбестовые?

Несмотря на то, что, как выяснилось, мы уже очень давно вдыхаем углеродные нанотрубки (УНТ) [1] – и без тяжелых последствий (по крайней мере, так нам кажется), ученые все чаще стали говорить об их возможном вредном воздействии [2], в особенности на легкие. Один из весомых аргументов – отмеченное в [3,4] сходство углеродных и асбестовых нанотрубок. А вредное влияние асбеста на здоровье было обнаружено уже в начале 1970-ых г.г., и в дальнейшем использование асбоцемента и других продуктов из асбеста в ряде стран, в частности в США, было запрещено. Проведенные в те годы исследования, касающиеся попадания внутрь организма минеральных волокон, включая асбест, привели к выводам, что пучки волокон асбеста длиннее 20мкм, но тоньше 3мкм, являются более канцерогенными, чем волокна короче 20мкм (независимо от диаметра) или волокна с диаметром больше 3мкм (независимо от длины).

В настоящее время имеется много данных о том, как зависит вредное воздействие на легкие от геометрии и химии поверхности мелких частиц. В целом наиболее опасными являются ультратонкие частицы [5]. Объединенный анализ данных по ряду городов показал, что ежедневное увеличение на 20мкг/м3 концентрации вдыхаемых частиц размером менее 10мкм увеличивает смертность примерно на 1% [6], в то время как увеличение на 25мкг/м3 средней за все время жизни концентрации очень мелких частиц диаметром менее 2.5мкм увеличивает общую ежегодную смертность примерно на 15% [7].

Резкий рост производства углеродных нанотрубок, продиктованный замечательными перспективами их использования, а также обнаружение их естественного присутствия в атмосфере вследствие сжигания топлива (природного газа, пропана) [1] привело к необходимости исследования их токсичности. Опыты на мышах и крысах подтвердили вредное воздействие одностенных УНТ на легкие. Однако очевидно, что в гораздо больших количествах встречаются многостенные нанотрубки (МСУНТ), которые, как обнаружил автор [4], чрезвычайно похожи на нанотрубки хризотила Mg3Si2O5(OH)4 (асбеста). Следовательно, очень важным является их сравнительное исследование.

Авторы [3] с помощью просвечивающей электронной микроскопии изучили МСУНТ и нанотрубки природного хризотила (асбеста). Использовались волокна минерала хризотила из провинции Квебек, Канада, и образцы МСУНТ, образовавшиеся при сжигании пропана и природного газа в горелках кухонных плит. В случае пропана внутренний и внешний диаметры МСУНТ равны 3-5 и 5-15нм. Для случая использования природного газа также видны закрытые МСУНТ с внутренним диаметром 5нм и внешним 10-15нм. Нанотрубки хризотила (асбеста) также в основном закрытые и имеют внутренний и внешний диаметры 5нм и 15-35нм, соответственно. Автор [4] утверждал, что закрытые трубки хризотила не встречаются. Возможно, это ложное заключение связано с их хрупкостью - они легко ломаются, и исследованные ранее образцы могли состоять из «обломков». Не исключено, что это отличие хризотила от прочных углеродных нанотрубок (как одно-, так и многостенных) имеет большое значение для токсикологии. Так что будем надеяться, что УНТ все-таки не такие вредные…

О.Алексеева

  1. ПерсТ 2004, 11, вып. 24, 7

  2. Chem. Engr. News 2003, 81, №17, 30

  3. J. Mater. Sci. 2004, 39, 4941-4947

  4. P.J. Harris. “Carbon nanotubes and related structures…” (Cambridge, Univ.Press, England 2003)
  5. C. Stuart, Survey finds the smaller the size, the bigger the possible risks http://www.smalltimes.com/document_display.cfm?document_id=586. (2003)
  6. Engl. J. Med. 2000, 343, 1742
  7. Report of Health Effects Inst., Boston, MA, 2000

СПИНТРОНИКА

Дислокации и нанопроволоки в соревновании за магнитную память

В настоящее время имеется несколько подходов к созданию магнитных ячеек памяти: химический синтез нанокластеров, формирование нанокластеров примеси в кристаллической решетке или в наноструктурах, выращенных в кристаллической решетке (например, на дислокациях, нанопроволоках, нанопленках). Главные требования к таким элементам – минимизация их размеров и повышение температуры Кюри. Наблюдается заметное оживление в области выращивания полупроводниковых нанопроволок, легированных переходными металлами [1]. Хотя нанопроволоки и нанотрубки существовали в природе миллиарды лет [2], своими физическими свойствами они начали удивлять человечество только в последние годы. Обнаружено, например, что переход от обычных полупроводниковых кристаллов, легированных, например, Mn, Fe или Ni, к нанопроволокам приводит к значительному повышению температур, при которых проволоки можно намагничивать [2]. Технология создания таких наномагнитов известна давно. За основу берут алюминивые пластины и путем анодирования создают каналы диаметром 50-100нм (их научились делать довольно давно). Затем различными методами (испарением, электроосаждением и др.) наполняют нанопоры в мембране анодированного алюминия атомами полупроводника, содержащего магнитную примесь. Наиболее перспективными считаются Si и Ge, содержащие несколько процентов Mn, Co или Fe. Cовременный метод наполнения нанопор заключается в использовании сверхкритического состояния вещества (например, гексана), изменение давления которого позволяет управлять укладкой нанопроволок, их размером и другими свойствами [1] (рис.1).

Рис. 1. Кремниевые нанопроволоки, синтезированные в сверх-критическом гексане при давлении (а) 200 бар и (b) 270 бар [1].

Удивительным является то, что полученные объекты являются ферромагнитными даже при весьма низких концентрациях «магнитных» атомов. Этих концентраций явно недостаточно для возникновения существенного обменного взаимодействия, поскольку в предположении равномерного распределения атомов примеси в нанопроволоке, среднее расстояние слишком велико. Тем не менее нелинейная зависимость величины намагниченности от внешнего магнитного поля, наличие гистерезиса, а также остаточная намагниченность нанопроволок свидетельствуют об их ферромагнитных свойствах [3]. Наиболее разумное объяснение – обедненность центральной части нанопроволок атомами примеси. Это приводит к появлению парамагнитной составляющей магнитного момента от атомов примеси, расположенных ближе к оси проволоки и не связанных обменным взаимодействием, а также к существованию ферромагнитной составляющей от тех атомов, концентрация которых на поверхности трубок высока. Таким образом, кропотливая процедура создания нанопроволок оказывается весьма полезной для получения магнитных объектов нового типа.

Рис. 2. Распределение индукции магнитного поля вблизи отпечатка индентирования на поверхности кристалла NiL2(C2H5OH)2, после отключения внешнего магнитного поля при Т = 77К.

Другим, вполне конкурентоспособным методом создания магнитных наноструктур, по-видимому, можно считать пластическую деформацию кристаллов, построенных из высокоспиновых молекул. Совершенные кристаллы молекулярных магнетиков, как правило, имеют весьма низкие температуры Кюри. Это и неудивительно, поскольку они содержат слишком много «балласта» - органических атомов, присутствие которых разрыхляет обменные связи и приводит к существованию слабого косвенного обмена. Японская организация «Spin-Electronic Society of Technologies», интенсивно развивающая методы управления свойствами твердых тел путем переключения спинов, опубликовала совместный доклад исследователей из ИФТТ РАН (Черноголовка), ИЗМИРАН (Троицк) и Международного томографического центра (Новосибирск) о многократном повышении Тс в молекулярном магнетике NiL2(C2H5OH)2 после его локальной пластической деформации. Кристаллы, выращенные из раствора, до их деформирования имели температуру Кюри ~ 5К [4]. После локальной деформации алмазным индентором на их поверхности образовывалась ямка размером ~ 100мкм. Магнитные свойства материала в зоне пластической деформации сильно изменились. Это было установлено с помощью сканирующего СКВИД магнетометра, разработанного и созданного в ИЗМИРАН. Подобно миноискателю, он позволяет продвигаться миниатюрному датчику СКВИД на расстоянии от поверхности кристалла ~ 100мкм и регистрировать неоднородности магнитного поля, измеряя его индукцию с пространственным разрешением ~ 20мкм. На рис.2 показано распределение индукции магнитного поля над отпечатком индентирования в кристалле NiL2(C2H5OH)2 [5]. Отчетливо видно, что после пластической деформации при температуре 77К можно наблюдать магнитный диполь, существующий в отсутствие внешнего магнитного поля. Остаточная намагниченность указывает на то, что в зоне сильной пластической деформации материал обладает ферромагнитными свойствами, при температуре, более чем на порядок высокой, по сравнению с исходной Тс. Природа этого деформационно-индуцированного магнетизма в настоящее время до конца не ясна, однако подобные явления наблюдались и ранее в монокристаллах Nb, W и др. (см., например, обзор [6]). Правда, локальное индентирование и сканирующий СКВИД микроскоп ранее не применяли. В металлических кристаллах удалось установить, что при деформации в кристалле возникают линейные дефекты – дислокации, вблизи ядер которых межатомные расстояния сильно изменены по сравнению с идеальной решеткой. Сближение спинов в этой области способствует значительному усилению обменного взаимодействия и появлению своеобразных цилиндрических областей намагниченности, окружающих дислокации. Поскольку в некоторых типах молекулярных магнетиков сотрудниками ИФТТ РАН были обнаружены дислокации, можно предполагать, что и в этих кристаллах наблюдается дислокационный магнетизм. В практическом отношении отпечаток индентирования можно рассматривать как ячейку магнитной памяти. Его размеры могут быть значительно уменьшены, поскольку технологии наноиндентирования сегодня весьма распространены. Изготовление же таких отпечатков значительно дешевле, чем создание нанопроволок. Но главным преимуществом «дислокационного» магнетизма является возможность создания магнитной «татуировки» с заданным распределением ячеек памяти. Поскольку выявление и введение в кристалл отдельных дислокаций является реальностью еще с 50-х годов, отдельные дислокации можно использовать как миниатюрные магниты. Описанные результаты позволяют надеяться, что исследование магнитных свойств дефектов структуры в молекулярных магнетиках приведет к созданию нового поколения носителей магнитной информации. Возможно физические принципы, управляющие магнетизмом дислокаций и нанопроволок, весьма близки.

Р.Моргунов

  1. Chem.Eur.J. 2003, 9, 2144

  2. Geochim.Cosmochim.Acta 1996, 60, 5194

  3. JMMM, article in press, available online at www.sciencedirect.com

  4. Inorg.Chem. 1998, 37, 4360

  5. Phys. stat. sol. (a) 2005, 202, No. 5, R47-R49

  6. Rev.Adv.Mater.Sci. 2002, 3, 10

Источник спинов для спинтроники

Современные устройства микроэлектроники основаны на токе зарядов. Возможно, в будущем будут созданы аналогичные устройства на токе спинов. Представить чистый спиновый ток без тока зарядов можно таким образом. Пусть в одну сторону бегут электроны со спином ориентированным вверх, а в другую сторону бегут столько же электронов со спином вниз. Это и будет чистый спиновый ток. Предполагается, что устройства спинтроники будут иметь большую скорость и меньшую энергию переключения. Наиболее вероятными кандидатами для этого видятся полупроводниковые структуры с электрическим управлением, желательно без сильного магнитного поля и точно без управляющего магнитного поля, которое является слишком неповоротливым. Но вот откуда взять спин-поляризованный ток в полупроводниках? Элементарная идея взять поляризованные спины оттуда, где их полно, а именно из ферромагнетиков, сразу не сработала. Спиновая поляризация инжектированных электронов оказалась на уровне всего лишь нескольких процентов. Но вот совсем недавно исследователям из IBM Research Division и Stanford University удалось поднять эту величину до 32% при инжекции электронов из туннельного контакта CoFe/MgO(100) в GaAs при комнатной температуре [1].

Рассматриваются и предложения по формированию спинового тока непосредственно в самих полупроводниках. Известно образование спинового тока при межзонной фотогенерации электрон-дырочных пар. Идеи формирования спинового тока в отсутствие освещения в основном базируются на спин-орбитальном взаимодействии, которое возникает в результате взаимодействия магнитного момента электрона с магнитным полем, вызванным его пространственным движением. Часть из подобных предложений упомянута в работе [2] и представлена на рис. В результате спин-орбитального взаимодействия рассеяние электронов на стенках микрополости, которая может быть сформирована в двумерном электронном газе по технологии расщепленного затвора, зависит от направления спина. При соответствующей форме этой полости, управляемой электродами затворов, вылетающие из нее электроны могут быть частично спин-поляризованными. Эксперименты уже подтвердили реализуемость такой идеи.

В.Вьюрков

  1. Phys.Rev.Lett. 2005, 94, 056601
  2. Science 2005, 307, 531

НАНОСТРУКТУРЫ

Кремниевые нанотрубки: теория догоняет эксперимент

Кремниевые нанотрубки, полученные сравнительно недавно, идеальным образом вписываются в кремниевую технологию, а вот использование давно синтезированных углеродных нанотрубок столкнулось с проблемой хорошего контакта с кремнием. Возможно, в перспективе кремниевые нанотрубки найдут применение в полевых нанотранзисторах, но уже сейчас они используются в биологических и газовых сенсорах.

В отличие от объемного кремния, концентрация носителей в тонких (около 2нм) нанотрубках, выращенных вдоль кристаллографического направления <100>, слабо зависит от степени легирования. Французские ученые с помощью функционала плотности рассчитали зонную структуру таких нанотрубок и показали, что в результате реконструкции поверхности они, действительно, могут становиться металлами, у которых всегда имеются носители в зоне проводимости, или полуметаллами, у которых валентная зона перекрывается с зоной проводимости. 

1.      Phys.Rev.Lett. 2005 94 026805.

Храните информацию в сибирских нанокластерах!

В Институте физики полупроводников СО РАН давно занимаются диэлектриками с высокой диэлектрической проницаемостью. Эти материалы считаются перспективными в качестве подзатворного диэлектрика в кремниевом полевом транзисторе нанометровых размеров. Кроме того, они, возможно, будут использоваться в структурах твердотельного квантового компьютера. Как оказалось, применение этих материалов (например, ZrO2) в качестве матрицы, содержащей вкрапления нанокластеров кремния с размером 1-10нм, в запоминающих устройствах также дает большие преимущества по сравнению с обычным оксидом кремния: заряд на кластерах держится дольше, кроме того, уменьшается напряжение переключения элемента памяти.

1.      ФТП 2005, 39, 748.

Квантовые системы

Квантовая криптография. НовоСибирский эксперимент

Квантовая криптография не может устранить подслушивание в канале связи, но позволяет его уверенно определять, в этом и состоит ее абсолютная надежность. В Институте физики полупроводников СО РАН проведены первые эксперименты по квантовой криптографии с одиночными поляризованными фотонами. Однофотонные импульсы получали путем ослабления излучения полупроводникового инжекционного лазера. В этих условиях, согласно требованиям квантовой криптографии, однофотонными считаются импульсы, среднее число фотонов в которых находится в пределах 0.1-0.2 фотона. В этом случае вероятность двухфотонных и трехфотонных импульсов становится достаточно малой. В качестве однофотонных детекторов применяли специально отобранные лавинные фотодиоды.

Протокол секретной квантовой коммуникации был устроен следующим образом (т.н. протокол ВВ84). Передающая сторона (Алиса) готовит фотоны в двух неортогональных друг другу базисах: первый – с направлением поляризации 00 и 900, второй – с направлением поляризации 450 и -450. Алиса посылает последовательность фотонов, поляризация которых выбрана случайным образом и может быть 00, 450, 900 и -450. Принимающей стороне (Бобу) по открытому каналу связи сообщают, в каком базисе выбрана поляризация. Для подслушивающей стороны (Евы) эти сообщения не несут никакой информации, если не прослушивать квантовый канал связи. Боб выбирает базис также случайным (но известным ему) образом и сообщает Алисе, в каком базисе он провел измерение поляризации фотона. На это Алиса сообщает Бобу, правильный ли он выбрал базис. Оставляя только события с одинаковым базисом, как у Алисы, так и у Боба, можно передать информацию от Алисы к Бобу, из которой потом формируется секретный ключ. Как же определяют факт прослушивания квантового канала? Все, что может сделать подслушивающая Ева, заключается в проведении измерения перехваченного фотона и посылке в канал другого фотона, чтобы была незаметна их утечка. Этот фотон не может совпадать с исходным фотоном в силу теоремы, запрещающей квантовое клонирование, а состояние исходного фотона изменяется в процессе измерения. Именно это делает подслушивание заметным. Практически факт подслушивания определяется по значительному расхождению при сравнении части секретного ключа, сформированного независимо у Алисы и у Боба.

Проведенный эксперимент продемонстрировал возможность квантовой связи и надежного обнаружения подслушивания. 

В.Вьюрков

1.   ЖТФ 2005, 75, 54

СВЕРХПРОВОДНИКИ

Загадки пирохлоров

ПерсТ уже сообщал об обнаружении нового класса сверхпроводников со структурой пирохлора и общей формулой AOs2O6, где A=Cs (Tc=3.3K), Rb (Tc=6.3K) и K (Tc=9.6K) и даже предсказывал очередной всплеск интереса к оксидной сверхпроводимости. По прошествии года стало ясно, что речь идет скорее не о всплеске, а о медленном нарастании интереса к этим соединениям. В ноябрьском выпуске ежемесячной подборки наиболее интересных публикаций по физике твердого тела Journal Club for Condensed Matter Physics (http://jc-cond-mat.bell-labs.com/) W.Koshibae и S.Maekawa из Tohoku University обратили внимание читателей на данное открытие. Решетка пирохлора является классическим примером магнитной системы, в которой имеет место эффект фрустрации спинов. Его влияние на электронную структуру и, соответственно, транспортные свойства проводящих материалов остается невыясненным. В частности, W. Koshibae и S.Maekawa предполагают возможность радикальной перестройки ферми-поверхности. Этим, по их мнению, нужно заняться в первую очередь, а затем уже подойти к решению проблемы сверхпроводимости в данных материалах.

Удивительно, но соединения с одинаковой химической формулой резко отличаются по своим сверхпроводящим свойствам. Если RbOs2O6 - это, видимо, традиционный БКШ-сверхпроводник [1,2], то, как утверждается в работах [3,4], сверхпроводимость KOs2O6 имеет необычную природу. Еще одна странная аномалия в этом соединении была обнаружена недавно [5] при измерении теплоемкости. В этой работе, выполненной все в том же токийском университете, впервые были синтезированы небольшие однофазные кристаллические образцы KOs2O6. Температурные зависимости теплоемкости демонстрировали, помимо пика, соответствующего критической температуре (Tc=9.53K), еще более выразительный максимум при Tp~7.5K, меньшей критической. В магнитном поле 14Тл критическая температура сверхпроводящего перехода упала до 7.1К, в то время как Tp несколько подросла и стала даже выше Tc. Этот факт с очевидностью указывает на то, что вторая особенность непосредственно не связана с явлением сверхпроводимости. Тогда чем же она обусловлена? С каким-то структурным превращением? Однако, спускаясь по температуре от Tc до 5К, авторы [5] не обнаружили никаких изменений в кристаллической решетке. Остается предположить, по их мнению, только магнитный фазовый переход, который они думают обнаружить в ходе дополнительных ЯМР исследований. Кроме того, авторы [5] планируют вырастить монокристаллы KOs2O6 больших размеров. Словом, новые материалы задают нам новые загадки.

Еще один февральский препринт той же группы, посвящен влиянию высоких давлений (до 10ГПа) на сверхпроводимость в соединениях AOs2O6 [6] для A = Cs, Rb и K. Во всех трех материалах наблюдали одну и ту же тенденцию: критическая температура росла с давлением вплоть до достаточно широкого максимума при 6ГПа (при этом Tc=7.6K), при 2ГПа (Tc=8.2K) и при 0.6ГПа (Tc=10K) для A = Cs, Rb и K, соответственно, после чего падала вплоть до полного исчезновения при 7ГПа и 6ГПа для A = Rb и K и где-то выше 10ГПа для Cs. Любопытно, что такое поведение Tc коррелирует с изменением под давлением коэффициента при пропорциональном T2 вкладе в сопротивление образцов, а также их остаточного сопротивления, что согласно [6] указывает на важную роль электронных корреляций. Словом, новые материалы задают нам новые загадки.

М.Белоголовский

(Донецкий ФТИ НАНУ)

  1.   M.Bruhwilder et al. Phys.:Rev. B 2004, 70, 020503R

  2. R.Khasanov et al. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 1570004
  3. A.Koda et al., cond-mat/0402400
  4. K.Arai et al., cond-mat/0411460
  5. Z.Hiroi et al., cond-mat/0502043
  6. T.Muramatsu et al., cond-mat/0502490

МИКРОТЕХНОЛОГИИ

Поиски материалов, адекватных умным микросенсорам

В настоящее время многие микросенсоры изготавливают по полупроводниковой технологии. Обратиться именно к этой технологии заставила исследователей наметившаяся в 70–х годах тенденция «интеллектуализации» сенсоров и преобразователей, суть которой заключается в том, что данные собираются и подвергаются цифровой обработке внутри сенсора или преобразователя. Интеллектуальные сенсоры, в каких бы устройствах они не использовались – от акселерометров и гироскопов до устройств изображения и датчиков давления – имеют лучшие характеристики, более функциональны, а затраты на их изготовление могут быть меньше, чем на изготовление традиционных сенсоров.

Сенсор и процессор могут располагаться на раздельных чипах, но в одном блоке. Однако такая композиция не для всех устройств является идеальной. Другой тип представляет «монолитная интеграция», когда микросенсор и процессор сформированы на одном чипе. В этом случае экономятся объем, электрическая мощность и затраты на изготовление. Проблема монолитной интеграции заключается в необходимости объединения на одной подложке порой очень разных материалов и технологических процессов.

В настоящее время существуют три метода реализации монолитной интеграции сенсора и электроники: 1) сначаламируется микросенсор, а потом процессор, обычно расположенный рядом с сенсором; 2) одновременное формирование обоих компонентов, 3) сначала формируется процессор, а затем микросенсор, расположенный наверху процессора.

Третий метод мог бы стать универсальным для изготовления интеллектуальных микросенсоров, т. к. он существенно упрощает технологию и формирование межсоединений. К сожалению, реализация этого метода и в академических, и в фирменных лабораториях не привела к его широкому распространению. Проблема заключается в том, что приходится гнаться за двумя зайцами: иметь хороший материал для сенсора, и технологию, не наносящую вред и не разрушающую сформированный под сенсором процессор. Главным препятствием здесь является температура. Уже сформированные интегральные схемы (ИС) не должны подвергаться воздействию температур выше 450°С. Однако, наиболее широко используемый материал для сенсоров – поликристаллический кремний (поли–Si) – осаждается и обрабатывается при температурах выше 800°С, т. к. только тогда гарантируются хорошие электрические и механические характеристики сенсоров. Правда, многие органические резисты и металлы можно осаждать и обрабатывать при низких температурах, но такие материалы, как правило, требуют деликатного обращения и не переносят механических напряжений.

И все-таки есть материал, удовлетворяющий всем претензиям как со стороны процессора, так и со стороны сенсора. Это – поликристаллический SiGe. Он имеет высокую температуру плавления (значительно выше 900°С), высокую упругую постоянную (около 150 ГПа) и низкие потери. Методами химического осаждения из паровой фазы и плазмостимулированного осаждения при температуре осаждения 450°С и скорости осаждения 100нм/мин можно получить SiGe с механическими свойствами, близкими поли–Si. Были получены SiGe пленки толщиной 10мкм с малым растягивающим напряжением, очень малым градиентом деформации и малым удельным сопротивлением. Такой материал по всем статьям подходит для изготовления гироскопов и других кинематических сенсоров, таких как емкостные акселерометры.

Л.Журавлева

1.      Science, 2004, 306, 986

Источник когерентных рентгеновских лучей с энергией в 1.3кэВ

Попытки создать лазеры рентгеновского диапазона предпринимали давно. Такой лазер весьма полезный инструмент для многочисленных научных экспериментов. Группа ученых из шести исследовательских институтов Австрии и Германии сообщает о получении эмиссии сильно коллимированного, пространственно когерентного рентгеновского излучения с лазерными свойствами, длиной волны ~ 1нм и энергией фотонов до 1.3кэВ. Источник излучения - атомы, ионизированные лазерным импульсом с длительностью 5фс. Авторы констатируют, что уже можно говорить о наличии лабораторного источника для работы во временных масштабах, важных для решения многих задач в области химии, биологии, материаловедения.

  1. Nature, 2005, 433, 596

НОВЫЕ ИЗДАНИЯ

«Микроструктура и свойства высокотемпературных сверхпроводников»

В издательстве Ростовского государственного университета вышел в свет 2-томный труд Ивана Анатольевича Паринова «Микроструктура и свойства высокотемпературных сверхпроводников». Сопоставляя микроструктуру и свойства ВТСП, автор дает практические советы по оптимизации технологии изготовления сверхпроводящих композитов. Рассматриваемая цепочка «композиция-технология-эксперимент-теория-модель» создает цельную картину современных представлений о микроструктуре, прочности и связанных с ними структурно-чувствительных свойствах сверхпроводящих материалов. Особое внимание в книгу уделено системам BSCCO и YBCO. В книге представлено большое число иллюстраций и литературных источников.

Возможно оформление почтовых заказов на монографию. Цена 2-х томника:

Контакт с автором

И.А.Паринов, НИИ механики и прикладной математики им. И.И.Воровича, Ростовский университет, пр. Стачки, 200/1, Ростов-на-Дону, 344090

E-mail ppr@math.rsu.ru

http://www.math.rsu.ru/niimpm/strl/welcome.en.html 

КОНФЕРЕНЦИИ

May 21 - 31, 2005. Sozopol, Bulgaria. Carbon Nanotubes: From Basic Research to Nanotechnology.

Deadline 1 January 2005

http://www.fundp.ac.be/~vpopov/nato-asi-2005.htm

June 19-24, 2005. Beaune, France. 4th International Conference on New Developments in Photodetection.

·         Well-established and emerging photodetection technologies by the use of photomultipliers, solid state radiation detectors, gaseous photodetectors, hybrid photodetectors and new sensing media.

Deadline March 1, 2005

http://beaune.in2p3.fr/

August 10 - 17, 2005. Orlando Florida, USA. 24th International Conference on Low Temperature Physics (LT24)

  1. Quantum Gases, Fluids and Solids

  2. Superconductivity
  3. Properties of Solids (including magnetic, mechanical, and thermal properties and phase transitions)
  4. Conducting Electrons in Condensed Matter (including localization,  electron transport, and mesoscopic phenomena)
  5. Materials, Techniques, and Applications.

E-mail: lt24@phys.ufl.edu
 http://www.phys.ufl.edu/~lt24

August 28 - September 2, 2005. Bremen, Germany. 6th International Conference on Nitride Semiconductore

Deadline April 1, 2005

http://www.ifp.uni-bremen.de/icns6/index.php

August 29-September 8, 2005. Clui-Napoca, Romania. NATO Advanced Study Institute "Manipulating Quantum Coherence in Solid State Systems”

Deadline February 11, 2005

http://ostc.physics.uiowa.edu/~natoasi/Introduction.htm

31 August - 2 September, 2005. Leeds, United Kingdom. EMAG - NANO 05. Imaging, Analysis and Fabrication on the Nanoscale

Deadline abstract April 2005

http://conferences.iop.org/EMNA/

September 3-9, 2005. Crete, Greece. Joint JSPS and ESF Conference on Vortex Matter in Nanostructured Superconductors (VORTEX IV)

(Satellite to the 7th European Conference on Applied Superconductivity, September 11-15, 2005, Vienna, Austria)

·         Superconductivity at Nanoscale

·         Superconducting Nano-devices: Science and Engineering

·         Nano-engineered Pinning Arrays

·         Vortex Imaging

·         Vortices in Mesoscopic Superconductors

·         Superconductor/Ferromagnet Hybrids

·         Vortex Dynamics, Driven Vortex Lattices, Ratchets

·         Vortex Matter at Extreme Conditions

·         Superconducting Cuprates and Diborides

·         Josephson Junctions and Their Arrays

·                   Superconducting Elements for Quantum Computing

Deadline April 15, 2005

http://www.fys.kuleuven.ac.be/vsm/projects/nes/announcement.htm

September 5-8, 2005. Prague. European Congress on Advanced Materials and Processes (EUROMAT 2005).

Deadline 31 Jan 2005

http://www.euromat2005.fems.org/index.htm

September 27-29, 2005. Tokai, Japan. The 5th International Symposium on Advanced Science Research

Deadline May 27, 2005

http://asrc.tokai.jaeri.go.jp/asr2005/

October 3 – 7, 2005. Zvenigorod. Moscow region. International Conference “Micro-& nanoelectronics-2005” (ICMNE’2005) and International Symposium “Quantum Informatics – 2005” (QI-2005)

Deadline June 15, 2005

http://www.icmne.ftian.ru

 

Редактор С.Т. Корецкаяя
perst@isssph.kiae.ru

stk@issp.ras.ru

тел: (095) 930 33 89

В подготовке выпуска принимали участие: О.Алексеева, М.Белоголовский, В.Вьюрков, А.Елецкий, Л.Журавлева, Ю.Метлин, Р.Моргунов, Л.Опенов