Nanostruktury, spintronika, komputer kwantowy

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

I. Nanostruktury

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

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

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

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

Komórka elementarna krysztaªu arsenku galu (GaAs).

Liczba atomów w 1 nm 3 krysztaªu 100 Rozmiar liniowy typowej nanostruktury L 10 100 nm = liczba atomów w nanostrukturze (dla L = 10 nm): 100 10 10 10 = 100000

Nanokrysztaªy selenku kadmu (CdSe).

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

Las nanodrutów.

Nanodrut jako element nanotranzystora.

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:,

Wytwarzanie pr du spinowego ltr spinowy = separator spinów

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.

Tranzystor spinowy

(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).

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.

Zapis liczb w komputerze ukªad dziesi tny ukªad dwójkowy 0 0 1 1 2 10 3 11 4 100 5 101 6 110 7 111 8 1000 9 1001 10 1010

Do zapisu liczby w komputerze klasycznym u»ywamy bitów: bit = 0, 1 1010011... Zapis/odczyt jednego bitu wymaga przepªywu od miliona do miliarda elektronów. = du»a strata energii (ciepªo wydzielane do otoczenia)

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)

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

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

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

Dalsza miniaturyzacja zastosowanie naturalnych atomów i molekuª = elektronika molekularna

Dzi kuj Miªym Sªuchaczom za uwag.