Группа Beenakker’a из Universiteit Leiden (Нидерланды), известная своими работами в области наноэлектроники, выступила с предложением использовать своеобразие зонной структуры графена (монослой графита) для формирования полевых транзисторов с особым принципом работы. Каналом транзистора служит сужение в пленке графена (рис., средняя часть рисунка). Потенциал на затворе (рис., нижняя часть рисунка) смещает положение зонной структуры в канале транзистора по отношению к контактам истока и стока (рис., верхняя часть рисунка). В показанном на рисунке состоянии ток через канал переносят только электроны 0-вой долины (черные кружки), протекание тока по другим долинам блокировано. Их можно «включить», подав соответствующее напряжение на затвор.

Рис. Потенциал на затворе (нижняя часть) смещает положение зонной структуры в канале транзистора по отношению к контактам истока и стока (верхняя часть). Каналом транзистора служит сужение в пленке графена (средняя часть). Горизонтальная штриховая линия показывает положение уровня Ферми.

Авторы усматривают аналогию со спиновым фильтром. В данном случае вместо направления ориентации спина выступает принадлежность носителя к определенной долине. Нам представляется более очевидной аналогия с включением и выключением проводящих мод в сужении в двумерном электронном газе. Именно подобными структурами эта группа всю жизнь и занимается. Заметим, что «включение» и «выключение» долин происходит и в канале обычного кремниевого полевого транзистора на подложке «кремний на изоляторе» с тонким слоем кремния.

СВЕРХПРОВОДНИКИ

Ни в одном щелочном металле объемная сверхпроводимость ни разу не наблюдалась при нормальном давлении. Между тем  существует фундаментальный вопрос: может ли электронная подсистема этих простейших одновалентных соединений оставаться вырожденной вплоть до нулевой температуры, не переходя ни в магнитное, ни в сверхпроводящее состояние? И если нет, то при какой температуре тот или иной фазовый переход все же происходит? Из всех щелочных металлов наиболее вероятным кандидатом в сверхпроводники считается самый легкий – литий. Но сверхпроводящий переход в литии был зафиксирован лишь при очень высоких давлениях [1,2], приводящих к перестройке электронной зонной структуры. А при атмосферном давлении признаков сверхпроводимости не было обнаружено даже при T = 4 мК [3].

Рис. Магнитная восприимчивость образца лития с T_c = 0.18 мК при различных температурах как функция силы тока, создающего постоянное магнитное поле (~ 10 мТл/А). Для наглядности кривые смещены относительно друг друга по вертикали. Стрелки указывают направление изменения поля (уменьшение или увеличение). Гистерезис обусловлен эффектом переохлаждения.

Первыми здесь преуспели финские ученые из Helsinki University of Technology [4]. Особое внимание они уделили чистоте образцов, поскольку даже мизерного количества магнитных примесей достаточно, чтобы разрушить сверхпроводимость с низкой T_c. Кроме того, малым T_c соответствуют очень слабые критические поля, поэтому внешнее поле в [4] экранировалось до 20 нТл специальным экраном. Было исследовано несколько образцов, и в каждом из них зарегистрирован сверхпроводящий переход (см. рис.), хотя и при существенно различающихся T_c, от 0.16 мК до 0.43 мК. Такой разброс T_c авторы объясняют различной концентрацией магнитных примесей. Любопытно, что в одном из образцов имели место два перехода при разных T_c. Это обусловлено опять же либо неоднородным распределением примесей, либо неоднородностью кристаллической структуры. Дабы убедиться, что полученные ими результаты не являются артефактом (связанным, например, с использованной для охлаждения медной фольгой), авторы [4] на той же самой установке и в тех же самых условиях измерили при T = 0.1 мК магнитную восприимчивость образца, не содержащего лития. Эффект оказался отрицательным (что, кстати, накладывает ограничение на T_c меди).

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

Схема установки по получению УНТ из мелкодисперсного углерода в плазме

Установка представляет собой серийно выпускаемый плазмотрон индукционного типа, питаемый источником переменного тока мощностью 60 кВт, работающим на частоте 3 МГц. Плазмотрон включает в себя: плазменную камеру с внутренним диаметром 5 см, реактор длиной 50 см и внутренним диаметром 15 см, камеру быстрого охлаждения, составленную из двух двустенных цилиндрических сегментов длиной 20 и 30 см и внутренним диаметром 15см. В область плазменного факела подается три независимых газовых потока - осевой, периферийный и несущий порошок. Первому потоку придается вращательное движение, обеспечивающее стабилизацию плазменного факела, а второй, ламинарный, служит для защиты стенок реактора от горячего газа. Фильтрационная система, которая служит для отделения материала, содержащего УНТ, от летучих компонентов, имеет три фильтровальных элемента диаметром 6 см и длиной 85 см на основе пористой керамики с диаметром пор 2,8 мкм. В качестве катализатора использовали частицы Ni размером < 1 мкм, Co размером < 2 мкм, CeO₂ и Y₂O₃, подмешиваемые в различных пропорциях при суммарной концентрации на уровне порядка 1 ат % к мелкодисперсному графиту. В качестве буферного газа использовали смесь He-Ar различного состава при полном давлении около 500 Торр. Порошок подавали в плазму со скоростями 1,2 - 2 г/мин. Каждый эксперимент продолжался 20 мин., хотя система допускала непрерывную эксплуатацию в течение 9 часов. В экспериментах использовали 3 типа углеродного порошка различной степени измельченности с размером частиц 75, 45 и 16 нм. Исследования, выполненные методами термогравиметрии и спектроскопии комбинационного рассеяния, показали, что в оптимальных условиях производительность синтеза порошка, содержащего до 40% однослойных УНТ, достигает 100 г/час. При этом оптимальные условия соответствуют чистому гелию, частицам углерода размером 75 нм и скорости их подачи 1,5–2 г/мин. Приведенные показатели заметно превышают результаты, достигнутые при использовании электродугового и лазерного методов синтеза УНТ, при этом нанотрубки по своему качеству лишь немного уступают синтезируемым лазерным методом. Следует отметить, что мелкодисперсный углерод значительно дешевле кристаллического графита, поэтому нанотрубки, полученные в плазме из порошка гораздо дешевле.

А.В.Елецкий

Углеродные нанотрубки имеют богатые перспективы использования в качестве основы сенсоров – приборов, определяющих характеристики той среды, где они находятся. Это связано с зависимостью электронных характеристик УНТ, таких как ширина запрещенной зоны, концентрация носителей и т. п., от химического состава окружающей среды. В силу такой зависимости вид вольт-амперной характеристики (ВАХ) нанотрубки определяется тем, какого сорта молекулы находятся в контакте с ее поверхностью. Сенсоры на основе УНТ благодаря удачному сочетанию таких качеств, как миниатюрные размеры, хорошая электропроводность, а также химическая и термическая стабильность являются предметом интенсивных разработок во многих лабораториях. Так, недавно в Korea University (Сеул, Ю.Корея) было обнаружено, что ВАХ УНТ обладает чувствительностью к величине рН раствора, омывающего нанотрубку. Это открывает возможность создания сверхминиатюрного сенсора для определения основной электрохимической характеристики водных растворов.

Рис. 1. Схема сенсора (а); структура пленки из многослойных УНТ (b)

Схема прибора представлена на рис. 1(а). На кремниевую подложку площадью 1,5х1,5 мм² и толщиной 450 мкм нанесен изолирующий слой диоксида кремния толщиной 150 нм. Подготовленный литорафическим методом участок поверхности подложки площадью 1х1 мм² покрывали частицами Со катализатора размером 8 нм, на которых методом химического осаждения паров выращивали пленку многослойных УНТ. По завершении процедуры роста УНТ измеряли ВАХ пленки с использованием конфигурации, показанной на рис. 1. При этом на поверхность пленки наносили каплю водного раствора, величина рН которого изменялась от 4 (кислота) до 10 (основание).

Результаты измерений, представленные на рис. 2, демонстрируют заметную чувствительность ВАХ образца к величине рН раствора. Рост рН раствора сопровождается увеличением проводимости образца, которая находится по наклону ВАХ. В качестве физического механизма, определяющего наблюдаемую зависимость проводимости от рН, авторы выдвигают предположение, согласно которому адсорбция гидроксильных групп нанотрубками, создает акцепторный уровень на их поверхности и увеличивает проводимость УНТ.

А.В.Елецкий

Для праздного ума

В один из тихих субботних вечеров 1946 года Frederic de Hoffman, физик из Los Alamos National Laboratory, хранивший документацию с описанием конструкции атомной бомбы в девяти сейфах, обнаружил в одном из них оставленную кем-то записку: "Если все комбинации на замках одинаковые, то отомкнуть один из них не труднее, чем другой". De Hoffman был в шоке: ядерные секреты похищены… В памяти сразу всплыла случившаяся минувшим летом история с попыткой проникновения неизвестного в секретные лаборатории. Но все оказалось гораздо проще: рядом стоял улыбающийся Ричард Фейнман – известный шутник, который умудрился каким-то образом открыть сейфовый замок, хотя код из шести цифр ему известен не был. Сделал он это не ради забавы, а просто для того, чтобы взять какие-то бумаги, срочно понадобившиеся ему для работы. С тех пор прошло немало лет, но вопрос о защите информации от посягательства извне ничуть не утратил своей актуальности. В частности, большое внимание уделяется разработке новых способов шифровки сообщений, как государственными, так и частными структурами. И хотя с годами эти способы становятся все изощреннее, абсолютной секретности криптографических схем пока достичь не удалось.

Рис.1. Залезть в сейф? Легко!

В конце второго тысячелетия возникла новая наука – квантовая криптография, основанная на кодировании информации в квантовые состояния отдельных частиц, как правило,  фотонов. Для генерации секретного квантового ключа обычно используется так называемый "протокол BB84" (Bennett & Brassard, 1984). Его суть заключается в следующем. Для поляризации каждого фотона отправитель выбирает по своему усмотрению либо "горизонтально-вертикальный", либо "повернутый" на угол 45⁰ фильтр, см. рис.2. Каждое направление поляризации соответствует (по предварительной взаимной договоренности) логическим 0 или 1. Фотон по оптоволоконному кабелю приходит к получателю, который для определения его поляризации использует (случайным образом) один из упомянутых типов фильтров. При этом, если выбранная им ориентация фильтра окажется такой же, как у отправителя, то он сможет "прочитать" один бит отправленной ему информации, а если нет – то (согласно законам квантовой механики) с вероятностью 1/2 получит либо правильное, либо неправильное значение этого бита. После передачи определенного количества фотонов отправитель и получатель сравнивают (по открытому каналу, например, по обычному телефону) типы фильтров, использованных тем и другим для каждого фотона, и оставляют только такие биты, которые были отправлены и "прочитаны" с помощью одинаковых фильтров. Этот набор битов и формирует секретный ключ, который в дальнейшем можно использовать для обмена сообщениями (рис.2). На первый взгляд протокол BB84 кажется довольно сложным и не очень эффективным. Но его отличительной особенностью является то, что ни один посторонний наблюдатель не в состоянии "подсмотреть" процесс генерации ключа так, чтобы остаться при этом незамеченным. Дело в том, что подсматривающий, определив поляризацию фотона, не может с достоверностью судить о том, каким именно фильтром пользовался отправитель. Поэтому при пересылке перехваченных фотонов получателю он (по теории вероятности) примерно в половине случаев будет использовать другой тип фильтра, нежели отправитель, и измеренная получателем поляризация будет не всегда совпадать с исходной даже при выборе им такого же как у отправителя фильтра. Это несанкционированное вмешательство легко обнаружить: достаточно лишь сравнить (опять же по открытому каналу) какую-то часть отправленного и полученного ключа и, если число расхождений превысит "уровень шума" (определяемый погрешностью измерений поляризации), сказать: "Нас подслушали. Попробуем еще раз".

Рис.2. Схематическая иллюстрация протокола BB84 для генерации секретного квантового ключа с использованием одиночных фотонов.

Но может ли квантовая криптография претендовать на абсолютную секретность? Теоретически – да. А вот практически… Charles Bennett вспоминает, что в первой экспери-ментальной квантовой криптосистеме (1989 год) для переключения поляризации фотонов с "горизонтально-вертикальной" на "повернутую" использовался высо-ковольтный источник, который "жужжал" по-разному в зависимости от того, подавалось напряжение или нет. Подслушав такое жужжание, можно было, используя при перехвате фотонов надлежащие фильтры, в конечном счете разгадать ключ. Позже от этого недостатка избавились, но ведь есть и другие, причем не только субъективные. Например, "квантовым хакерам" из Massachusetts Institute of Technology удалось определить около 40% ключа, "запутывая" поляризацию каждого фотона с его импульсом, но при этом, не изменяя ее [1]. У квантовой криптографии постоянно находят все новые и новые слабые места. Так, согласно теории, отправитель и получатель полностью контролируют свое оборудование. Между тем, можно использовать "грязный прием": посылать фотоны одновременно и тому, и другому [2]. Незначительные дефекты фотодетекторов тоже делают квантовую криптографию уязвимой [3]. А существует еще и пресловутый "человеческий фактор". Ведь Фейнман в 1946 году просто угадал секретную комбинацию из шести цифр. Он понимал, что его друг-физик выбрал в качестве кода такое число, которое знал назубок. И Фейнман угадал со второго раза: "271828" – первые шесть значащих цифр математической константы e. История умалчивает о том, какую комбинацию Фейнман использовал в своей первой попытке. Но не трудно догадаться, что это было "314159".

1. T.Kim et al, Phys. Rev. A 75, 042327 (2007).

2. N.Gisin et al, Phys. Rev. A 73, 022320 (2006).

3. http://lanl.arxiv.org/abs/0704.3253 (2007).

4. G.Brumfiel, Nature 447, 372 (2007).