Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №5/2007

НОВОСТИ НАУКИ

 

Неисчерпаемый электрон

Основоположники квантовой теории сравнивали электронный спин с вращением юлы или волчка. Принцип известного ученого В.Паули запрещает нахождение в квантовой ячейке двух электронов, имеющих одинаковые спины. Этот запрет сродни невозможности одновременного вращения юлы в двух направлениях. При приложении внешнего магнитного поля корреляция во «вращении» электронов возрастает, и это свойство сохраняется вплоть до ~200 градусов Кельвина, что можно рассматривать в качестве примера квантовой корреляции.

При повышении температуры «термодинамический шум» эту корреляцию разрушает. Однако все же такая корреляция позволяет более эффективно, чем уже привычные компьютеры, обрабатывать информацию. Вот почему квантовая корреляция вызывает такой большой интерес ученых, в том числе и химиков, «поставляющих» соответствующие материалы для тех же квантовых точек (в которых проявляются квантовые эффекты).

Специалисты Дельфтского университета в Голландии исследовали смешение синглетного и триплетного возбужденных состояний электронов в случайном ядерном поле квантовой точки. Известно, что при возбуждении (улавливании энергии) электроны могут оказаться в «однонаправленном» триплетном состоянии или в «разнонаправленном» синглетном (рис. 1). Смешение двух состояний осуществляли в двойной квантовой точке из арсенида галлия. Считается, что этот материал более перспективен, чем «классический» кремний.

Рис. 1. Возбужденные триплетное и синглетное состояния спаренных квантовых точек
Рис. 1.
Возбужденные триплетное
и синглетное состояния
спаренных квантовых точек

Одиночные электроны, удерживаемые в квантовых точках, часто ведут себя как «искусственный атом водорода». В реальном атоме Н имеется сверхтонкое взаимодействие электрона с ядром. Голландские же ученые создали систему, в которой «искусственный атом водорода» в виде одиночного электрона взаимодействует одновременно почти с миллионом ядер мышьяка или галлия! Трудно даже представить себе, какие перспективы открываются для будущих создателей квантовых компьютеров.

Двойные квантовые точки использовал в Гарварде и М.Лукин вместе со своим коллегой А.Джонсоном. При этом в арсениде галлия были созданы высокочастотные пульсирующие «ворота» размером 1 микрометр (мкм), что позволило при приложении внешнего магнитного поля изучать триплет-синглетную релаксацию, но уже не электронов, а ядер.

Для «охлаждения» ядер в потенциальных ямах квантовых точек требуется напряжение магнитного поля всего лишь несколько миллитесла.

Столь малые напряжения и не снились современным производителям кремниевых чипов. Лукин полагает, что подобные системы окажутся весьма полезными в будущей «спинтронике», т.е. технологиях обработки информации, основанных на свойствах ядерных спинов.

Сдвоенную систему, на этот раз молекулу азота, использовали для исследования в Берлинском институте им. Ф.Габера.

Молекула азота и сходные с ней гомоядерные двухатомные молекулы других веществ характеризуются тем, что находятся в квантово-механическом нелокальном когерентном состоянии вследствие инверсионной симметрии и обмена частицами между атомами. Внешне это проявляется в испускании когерентных электронов (как фотонов в лазере) из двух идентичных мест.

Согласно законам квантовой физики такие электроны должны дать картину интерференции, т.е. «наложения волн», когда они усиливают или гасят друг друга. Квантовая когерентность исчезает, когда симметрия состояния нарушается.

Условия возникновения интерференций известны чуть ли не со времен Х.Гюйгенса, однако даже квантовые физики до сих пор могли изучать явление интерференции на довольно грубых установках. В Берлине же нашли просто-таки идеальную систему «сдвоенных атомов азота», электроны которых возбуждаются фотонами с ультракороткой длиной волны, получаемыми в синхротроне.

Импульсы света из источника синхротронного излучения подаются непосредственно на атомы азота (рис. 2, см. с. 48), которые естественно начинают испускать внутренние электроны, улавливаемые фотоэлектронными детекторами, анализирующими время их «полета». А на расположенном в нижней части установки чувствительном ионном детекторе создается интерференционная картина.

Рис. 2. Схема установки для изучения когерентной электронной эмиссии
Рис. 2.
Схема установки для изучения
когерентной электронной эмиссии

Переход на атомный уровень послужит прогрессу той же квантовой химии, которая во многом вынуждена была опираться на данные статистических методов. Теперь же сведения об электронном строении будут «из первых рук», поскольку кванты фокусируются на конкретных атомах.

Подобный скачок сопоставим, по-видимому, с тем, что произошло в 1960-е гг. в биологии, когда с оптических микроскопов перешли на электронные. Но скорее всего это не совсем точная аналогия. Появление нового метода лучше сравнить с рождением молекулярной биологии, когда последняя стала непосредственно манипулировать нитями жизни – нуклеиновыми и протеиновыми. Вот тогда биология наконец-то стала точной наукой…

Материал подготовил И.Э.Лалаянц
(Science, 2005, № 5753, р. 1346;
Nature, 2005, № 7044, p. 925, № 7059, p. 711)