Nanostruktury, spintronika, komputer kwantowy

Transkrypt

1 Nanostruktury, spintronika, komputer kwantowy Wykªad dla uczniów Gimnazjum Nr 2 w Krakowie

2 I. Nanostruktury

3 Skala mikrometrowa 1µm (mikrometr) = 1 milionowa cz ± metra = 10 6 m obiekty mikrometrowe, np. pyªki ro±lin, mog by obserwowane pod mikroskopem optycznym = elektronika

4 Skala mikrometrowa 1µm (mikrometr) = 1 milionowa cz ± metra = 10 6 m obiekty mikrometrowe, np. pyªki ro±lin, mog by obserwowane pod mikroskopem optycznym = elektronika

5 Skala mikrometrowa 1µm (mikrometr) = 1 milionowa cz ± metra = 10 6 m obiekty mikrometrowe, np. pyªki ro±lin, mog by obserwowane pod mikroskopem optycznym = elektronika

6 Skala mikrometrowa 1µm (mikrometr) = 1 milionowa cz ± metra = 10 6 m obiekty mikrometrowe, np. pyªki ro±lin, mog by obserwowane pod mikroskopem optycznym = elektronika

7 Skala nanometrowa 1 nm (nanometr) = 1 tysi czna cz ± mikrometra = 10 3 µm = 1 miliardowa cz ± metra = 10 9 m obiekty nanometrowe (nanokrysztaªy, nanostruktury, nanoprzyrz dy) mog by obserwowane za pomoc mikroskopu elektronowego = nanoelektronika, nanoroboty

8 Skala nanometrowa 1 nm (nanometr) = 1 tysi czna cz ± mikrometra = 10 3 µm = 1 miliardowa cz ± metra = 10 9 m obiekty nanometrowe (nanokrysztaªy, nanostruktury, nanoprzyrz dy) mog by obserwowane za pomoc mikroskopu elektronowego = nanoelektronika, nanoroboty

9 Skala nanometrowa 1 nm (nanometr) = 1 tysi czna cz ± mikrometra = 10 3 µm = 1 miliardowa cz ± metra = 10 9 m obiekty nanometrowe (nanokrysztaªy, nanostruktury, nanoprzyrz dy) mog by obserwowane za pomoc mikroskopu elektronowego = nanoelektronika, nanoroboty

10 Skala nanometrowa 1 nm (nanometr) = 1 tysi czna cz ± mikrometra = 10 3 µm = 1 miliardowa cz ± metra = 10 9 m obiekty nanometrowe (nanokrysztaªy, nanostruktury, nanoprzyrz dy) mog by obserwowane za pomoc mikroskopu elektronowego = nanoelektronika, nanoroboty

11 Skala nanometrowa 1 nm (nanometr) = 1 tysi czna cz ± mikrometra = 10 3 µm = 1 miliardowa cz ± metra = 10 9 m obiekty nanometrowe (nanokrysztaªy, nanostruktury, nanoprzyrz dy) mog by obserwowane za pomoc mikroskopu elektronowego = nanoelektronika, nanoroboty

12 Rozmiary atomów ±rednica atomu wodoru 0.1 nm ±rednica atomu krzemu 0.2 nm

13 Rozmiary atomów ±rednica atomu wodoru 0.1 nm ±rednica atomu krzemu 0.2 nm

14 Rozmiary atomów ±rednica atomu wodoru 0.1 nm ±rednica atomu krzemu 0.2 nm

15 Przykªadowe wypeªnienie atomami podstawy krysztaªu o strukturze sze±ciennej: 5 atomów/nm = 25 atomów/nm 2 = 125 atomów/nm 3.

16 Komórka elementarna krysztaªu arsenku galu (GaAs).

17 Liczba atomów w 1 nm 3 krysztaªu 100 Rozmiar liniowy typowej nanostruktury L nm = liczba atomów w nanostrukturze (dla L = 10 nm): =

18 Liczba atomów w 1 nm 3 krysztaªu 100 Rozmiar liniowy typowej nanostruktury L nm = liczba atomów w nanostrukturze (dla L = 10 nm): =

19 Liczba atomów w 1 nm 3 krysztaªu 100 Rozmiar liniowy typowej nanostruktury L nm = liczba atomów w nanostrukturze (dla L = 10 nm): =

20 Liczba atomów w 1 nm 3 krysztaªu 100 Rozmiar liniowy typowej nanostruktury L nm = liczba atomów w nanostrukturze (dla L = 10 nm): =

21 Nanokrysztaªy selenku kadmu (CdSe).

22 Nanotechnologia wzrostu nanodrutu (drutu kwantowego). Si = krzem, Au = zªoto.

23 Las nanodrutów.

24 Nanodrut jako element nanotranzystora.

25 Elektron jest cz stk posiadaj c ªadunek elektryczny oraz spin. W polu magnetycznym spin zachowuje si jak miniaturowa igieªka magnetyczna, np, kompasu. Spin jest wielko±ci kwantow i przyjmuje tylko dwie warto±ci:,

26 Elektron jest cz stk posiadaj c ªadunek elektryczny oraz spin. W polu magnetycznym spin zachowuje si jak miniaturowa igieªka magnetyczna, np, kompasu. Spin jest wielko±ci kwantow i przyjmuje tylko dwie warto±ci:,

27 Elektron jest cz stk posiadaj c ªadunek elektryczny oraz spin. W polu magnetycznym spin zachowuje si jak miniaturowa igieªka magnetyczna, np, kompasu. Spin jest wielko±ci kwantow i przyjmuje tylko dwie warto±ci:,

28 Elektron jest cz stk posiadaj c ªadunek elektryczny oraz spin. W polu magnetycznym spin zachowuje si jak miniaturowa igieªka magnetyczna, np, kompasu. Spin jest wielko±ci kwantow i przyjmuje tylko dwie warto±ci:,

29 Elektron jest cz stk posiadaj c ªadunek elektryczny oraz spin. W polu magnetycznym spin zachowuje si jak miniaturowa igieªka magnetyczna, np, kompasu. Spin jest wielko±ci kwantow i przyjmuje tylko dwie warto±ci:,

30

31 Wytwarzanie pr du spinowego ltr spinowy = separator spinów

32 Wytwarzanie pr du spinowego ltr spinowy = separator spinów

33 Wytwarzanie pr du spinowego ltr spinowy = separator spinów

34

35 Elektrony o ró»nych spinach s wstrzykiwane z elektrody 1, separacja spinów zachodzi w obszarze kwantowego kontaktu punktowego (QPC), elektrony o uporz dkowanych spinach wypªywaj przez elektrody 2 ( ) i 3 ( ). Pole magnetyczne B ma kierunek osi z x, y.

36 Tranzystor spinowy

37

38 (a) source - gate (b) gate (c) gate - drain E E E (d) k k k x source gate drain Lg Fx NW z y L t substrate Schemat tranzystora spinowego zbudowanego z nanodrutu póªprzewodnikowego z boczn bramk (gate). Elektrony przepªywaj przez nanodrut (NW) ze ¹ródªa (source) do drenu (drain).

39 Pr d I w funkcji napi cia bramki V g dla T = 300 K. Górny rysunek: wyniki oblicze«dla P = 0.4 (czerwona krzywa ci gªa) i P = 1 (niebieska krzywa przerywana). Dolny rysunek: wyniki eksperymentalne.

40

41 Zapis liczb w komputerze ukªad dziesi tny ukªad dwójkowy

42 Zapis liczb w komputerze ukªad dziesi tny ukªad dwójkowy

43 Do zapisu liczby w komputerze klasycznym u»ywamy bitów: bit = 0, Zapis/odczyt jednego bitu wymaga przepªywu od miliona do miliarda elektronów. = du»a strata energii (ciepªo wydzielane do otoczenia)

44 Do zapisu liczby w komputerze klasycznym u»ywamy bitów: bit = 0, Zapis/odczyt jednego bitu wymaga przepªywu od miliona do miliarda elektronów. = du»a strata energii (ciepªo wydzielane do otoczenia)

45 Do zapisu liczby w komputerze klasycznym u»ywamy bitów: bit = 0, Zapis/odczyt jednego bitu wymaga przepªywu od miliona do miliarda elektronów. = du»a strata energii (ciepªo wydzielane do otoczenia)

46 Do zapisu liczby w komputerze klasycznym u»ywamy bitów: bit = 0, Zapis/odczyt jednego bitu wymaga przepªywu od miliona do miliarda elektronów. = du»a strata energii (ciepªo wydzielane do otoczenia)

47 Bit kwantowy (kubit) =, liczba w ukªadzie dwójkowym zapisana za pomoc spinów elektronów (kubitów spinowych):... = zapis/odczyt jednego kubitu wymaga energii bardzo niewielkiej energii (bliskiej 0)

48 Bit kwantowy (kubit) =, liczba w ukªadzie dwójkowym zapisana za pomoc spinów elektronów (kubitów spinowych):... = zapis/odczyt jednego kubitu wymaga energii bardzo niewielkiej energii (bliskiej 0)

49 Bit kwantowy (kubit) =, liczba w ukªadzie dwójkowym zapisana za pomoc spinów elektronów (kubitów spinowych):... = zapis/odczyt jednego kubitu wymaga energii bardzo niewielkiej energii (bliskiej 0)

50 Bit kwantowy (kubit) =, liczba w ukªadzie dwójkowym zapisana za pomoc spinów elektronów (kubitów spinowych):... = zapis/odczyt jednego kubitu wymaga energii bardzo niewielkiej energii (bliskiej 0)

51 Najwa»niejsza zaleta komputera kwantowego Kwantowy charakter operacji komputerowych nowe operacje logiczne = znacznie szybsze obliczenia ni» na komputerze klasycznym kryptograa kwantowa: = mo»liwo± rozszyfrowania ka»dej informacji zaszyfrowanej na komputerze klasycznym = mo»liwo± zaszyfrowania informacji w sposób uniemo»liwiaj cy jej rozszyfrowanie bez pozostawienia ±ladu wªamania

52 Najwa»niejsza zaleta komputera kwantowego Kwantowy charakter operacji komputerowych nowe operacje logiczne = znacznie szybsze obliczenia ni» na komputerze klasycznym kryptograa kwantowa: = mo»liwo± rozszyfrowania ka»dej informacji zaszyfrowanej na komputerze klasycznym = mo»liwo± zaszyfrowania informacji w sposób uniemo»liwiaj cy jej rozszyfrowanie bez pozostawienia ±ladu wªamania

53 Najwa»niejsza zaleta komputera kwantowego Kwantowy charakter operacji komputerowych nowe operacje logiczne = znacznie szybsze obliczenia ni» na komputerze klasycznym kryptograa kwantowa: = mo»liwo± rozszyfrowania ka»dej informacji zaszyfrowanej na komputerze klasycznym = mo»liwo± zaszyfrowania informacji w sposób uniemo»liwiaj cy jej rozszyfrowanie bez pozostawienia ±ladu wªamania

54 Najwa»niejsza zaleta komputera kwantowego Kwantowy charakter operacji komputerowych nowe operacje logiczne = znacznie szybsze obliczenia ni» na komputerze klasycznym kryptograa kwantowa: = mo»liwo± rozszyfrowania ka»dej informacji zaszyfrowanej na komputerze klasycznym = mo»liwo± zaszyfrowania informacji w sposób uniemo»liwiaj cy jej rozszyfrowanie bez pozostawienia ±ladu wªamania

55 Najwa»niejsza zaleta komputera kwantowego Kwantowy charakter operacji komputerowych nowe operacje logiczne = znacznie szybsze obliczenia ni» na komputerze klasycznym kryptograa kwantowa: = mo»liwo± rozszyfrowania ka»dej informacji zaszyfrowanej na komputerze klasycznym = mo»liwo± zaszyfrowania informacji w sposób uniemo»liwiaj cy jej rozszyfrowanie bez pozostawienia ±ladu wªamania

56 Najwa»niejsza zaleta komputera kwantowego Kwantowy charakter operacji komputerowych nowe operacje logiczne = znacznie szybsze obliczenia ni» na komputerze klasycznym kryptograa kwantowa: = mo»liwo± rozszyfrowania ka»dej informacji zaszyfrowanej na komputerze klasycznym = mo»liwo± zaszyfrowania informacji w sposób uniemo»liwiaj cy jej rozszyfrowanie bez pozostawienia ±ladu wªamania

57 Najwa»niejsza zaleta komputera kwantowego Kwantowy charakter operacji komputerowych nowe operacje logiczne = znacznie szybsze obliczenia ni» na komputerze klasycznym kryptograa kwantowa: = mo»liwo± rozszyfrowania ka»dej informacji zaszyfrowanej na komputerze klasycznym = mo»liwo± zaszyfrowania informacji w sposób uniemo»liwiaj cy jej rozszyfrowanie bez pozostawienia ±ladu wªamania

58

59 Jeden z celów nanotechnologii XXI wieku: konstrukcja komputera kwantowego. Inne cele, np. konstrukcja nanorobotów

60 Jeden z celów nanotechnologii XXI wieku: konstrukcja komputera kwantowego. Inne cele, np. konstrukcja nanorobotów

61 Jeden z celów nanotechnologii XXI wieku: konstrukcja komputera kwantowego. Inne cele, np. konstrukcja nanorobotów

62 Jeden z celów nanotechnologii XXI wieku: konstrukcja komputera kwantowego. Inne cele, np. konstrukcja nanorobotów

63 Szacowana granica miniaturyzacji nanoprzyrz dów sztucznie wytworzonych przez czªowieka 7 nm Obecnie konstruowane nanoprzyrz dy osi gaj rozmiary liniowe 10 nm.

64 Szacowana granica miniaturyzacji nanoprzyrz dów sztucznie wytworzonych przez czªowieka 7 nm Obecnie konstruowane nanoprzyrz dy osi gaj rozmiary liniowe 10 nm.

65 Szacowana granica miniaturyzacji nanoprzyrz dów sztucznie wytworzonych przez czªowieka 7 nm Obecnie konstruowane nanoprzyrz dy osi gaj rozmiary liniowe 10 nm.

66 Dalsza miniaturyzacja zastosowanie naturalnych atomów i molekuª = elektronika molekularna

67 Dalsza miniaturyzacja zastosowanie naturalnych atomów i molekuª = elektronika molekularna

68 Dalsza miniaturyzacja zastosowanie naturalnych atomów i molekuª = elektronika molekularna

69 Dzi kuj Miªym Sªuchaczom za uwag.