ТОРЖЕСТВО

Первая российская премия за ВТСП устройства
За создание новых типов электрических машин на основе высокотемпературных сверхпроводников Премия Правительства Российской Федерации 2002 года в области науки и техники и звание “Лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники” присвоены

  1. Черноплекову Николаю Алексеевичу (ИСФТТ РНЦ "Курчатовский институт"),
  2. Акимову Игорю Ивановичу (ФГУП ВНИИНМ им. акад. А.А.Бочвара),
  3. Шикову Александру Константиновичу (ФГУП ВНИИНМ им. акад. А.А.Бочвара),
  4. Александрову Виктору Владимировичу (ГУП ВЭИ),
  5. Фишеру Леониду Михайловичу (ГУП ВЭИ),
  6. Вержбицкому Леониду Григорьевичу (НИИ ЭМ, г. Истра),
  7. Илюшину Константину Васильевичу (МАИ),
  8. Карпышеву Александру Владимировичу (НИЦ НТ МАИ),
  9. Ковалеву Константину Львовичу (МАИ),
  10. Ковалеву Льву Кузьмичу (НИИ низких температур при МАИ),
  11. Макарову Игорю Сергеевичу (МАИ),
  12. Костюку Валерию Викторовичу (НИИ низких температур при МАИ),
  13. Чубраевой Лидии Игоревне (ОЭЭП РАН, г.Санкт-Петербург),
  14. Шемякову Владимиру Семеновичу (“Роснаучвузкомплект” Минобразования РФ),
  15. Глебову Игорю Алексеевичу (посмертно) (ФГУП НИИ электромашиностроения).

Российская газета от 26 февраля 2003 г.

С удачным стартом и вперед к победному финишу!

СВЕРХПРОВОДНИКИ

Успешный дуэт твердотельных кубитов
Квантовый компьютер должен состоять из набора большого числа взаимодействующих друг с другом двухуровневых систем – квантовых битов (кубитов). Из числа физических объектов, рассматриваемых в качестве возможных кандидатов на роль таких систем, наибольший интерес представляют “твердотельные” реализации кубитов, поскольку, как полагают, именно они (в отличие от, например, фотонов) могут быть интегрированы в реальные многокубитовые вычислительные устройства путем использования хорошо развитых методов нанотехнологии.

Одним из вариантов твердотельных кубитов, который активно обсуждается в последние годы, являются так называемые “джозефсоновские кубиты”. В основе их работы лежит эффект Джозефсона: когерентное квантовое туннелирование куперовских пар между двумя сверхпроводниками. Роль логического

нуля и логической единицы при этом играют зарядовые состояния, различающиеся на одну куперовскую пару. Физики уже научились изготавливать отдельные такие кубиты. Однако до недавнего времени еще никому не удавалось организовать взаимодействие между несколькими (хотя бы двумя) твердотельными кубитами и приготовить тем самым так называемые “запутанные” состояния.

wpe7.jpg (9960 bytes)

Рис. 1. СЭМ изображение устройства

В работе [1] российских (ФИАН), японских (Institute of Physical and Chemical Research и NEC Fundamental Research Laboratories) и американских (SUNY at Stony Brook) специалистов впервые экспериментально продемонстрирована джозефсоновская цепь из двух электростатически взаимодействующих зарядовых кубитов. Используя импульсную технику, авторы смогли когерентно “перемешать” квантовые состояния кубитов и наблюдали квантовые осцилляции, которые отражают взаимодействие между кубитами.

3_06_3.gif (9836 bytes)

Рис. 2. Квантовые осцилляции кубитов

Двухкубитовая система в была изготовлена путем электронно-лучевой литографии и напыления сверхпроводящих островков (Al) на диэлектрический слой (SiNx). Очень важно, что для сверхпроводниковых кубитов декогеренция (главный бич всех твердотельных устройств) не является губительной, поскольку сверхпроводящая щель представляет собой естественный барьер на пути диссоциации куперовских пар. На повестке дня – контролируемое создание запутанных состояний определенного типа и наращивание вычислительной мощности путем увеличения числа кубитов в логическом квантовом устройстве.

1. Yu. A. Pashkin, T. Yamamoto, O. Astafiev, Y. Nakamura, D. V. Averin, J. S. Tsai, Nature , 2003, 421, p.823

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

Адсорбция водорода в углеродных нанотрубках
Методом неупругого рассеяния нейтронов исследована микроскопическая динамика водорода, адсорбированного в связках одностенных углеродных нанотрубок. Обнаружено, что соответствующая химическая обработка приводит к значительному увеличению количества запасаемого в нанотрубках водорода. Это говорит об образовании дополнительного адсорбционного слоя внутри нанотрубок, что подтверждается данными о низкоэнергетическом спектре возбуждений H2. Процесс десорбции водорода изучен в режиме реального времени при различных температурах. Установлено, что при T < 150К водород адсорбирован прочно. При T > 200К выход водорода из нанотрубок можно контролировать путем простого нагрева. Даже при T = 400К в нанотрубках сохраняется небольшое количество водорода.

B.Renker et al., http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0301266

Contact: Burkhard Renker renker@ifp.fzk.de

Сорбция кислорода поверхностью нанотрубок
Из-за высокой удельной поверхности и наличия незаполненных объемов углеродные нанотрубки обладают повышенными сорбционными свойствами. Они способны поглощать (сорбировать) значительное количество как газообразного, так и жидкого вещества. Эта способность весьма привлекательна для создания сверхминиатюрных сенсоров, способных детектировать малейшие примеси в атмосферном воздухе. Принцип их действия основан на изменении электронных характеристик нанотрубок (ширина запрещенной зоны, концентрация и подвижность носителей и т.п.) при сорбции молекул определенного сорта.

Характер сорбции нанотрубками различных газов является предметом многих исследований. Так, в Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Берлин, Германия) недавно выполнено сравнительное исследование кинетики адсорбции-десорбции кислорода жгутами однослойных углеродных нанотрубок и сильно упорядоченного пиролитического графита.

Образцы нанотрубок со средним диаметром 1.2нм очищали методом многократного вакуумного
(10-10Торр) прогрева до 1200К. С одной стороны танталового диска (диаметром 1см) наносили тканеподобный слой нанотрубок, а с другой - прикрепляли пластину пиролитического графита. Диск помещали в отпаянную камеру, в свою очередь, помещенную в криостат (с возможностью охлаждения до 28К), и в камеру направляли дозированный поток кислорода с интенсивностью 10-11моль с–1см –2, которая соответствует скорости покрытия поверхности образца примерно 0.01 монослоя/сек.

Характер термодесорбции кислорода исследовали в случае пиролитического графита при повышении температуры образца от 28 до 44К со скоростью 0.25 – 0.5К/с, а в случае нанотрубок – от 28 до 100К. В результате исследований были определены энергии сорбции молекулы О2 поверхностью пиролитического графита (11.8 – 12.3кДж/моль, что соответствует примерно 0.12эВ) и нанотрубок (0.18эВ).

Анализ экспериментальных данных указывает на отсутствие как хемосорбции, так и диссоциативной сорбции О2 поверхностью нанотрубок. Сорбция кислорода на графитовой поверхности обусловлена исключительно вандерваальсовским взаимодействием.

Отсюда следует, что наличие на поверхности однослойных углеродных нанотрубок сорбированного кислорода не влияет на их электрические характеристики, а, следовательно, и не может быть использовано для определения содержания кислорода в атмосфере.

А.В.Елецкий

Phys. Rev. B, 2002, 66, 075404

Контактные маски из нанотрубок для технологии наноэлектронных схем
Авторы работы [1], выполненной в Университете штата Алабама (США), продемонстрировали возможность нанесения канавок длиной несколько микрон и шириной до 10нм, используя в качестве контактной маски - нанотрубки. В эксперименте использовали окисленные кремниевые пластины, на которые осаждали как однослойные нанотрубки диаметром от 1.3 до 3нм, так и многослойные с диаметром в диапазоне от 30 до 80нм. Затем на поверхность подложки, покрытой нанотрубками, наносили слой Ti толщиной 30нм. При удалении нанотрубок (обработкой УЗ) в слое Ti остаются канавки шириной до 10нм, которые можно использовать для формирования следующих слоев.

А.В.Елецкий

  1. Nano Letters, 2002, 2, p.1061

Можно ли сотворить нанотрубку из Si ?
Синтез и разнообразные исследования углеродных нанотрубок поставлены ныне на широкую ногу. Что касается кремния, то извечное стремление этого атома к тетраэдрической координации делает любые трубчатые конструкции из Si принципиально неустойчивыми. Ситуация, однако, меняется, если в нужном месте поместить нужный атом другого элемента (металла). Об этом рассказано в работе японско-индийской группы теоретиков [1]. Используя суперкомпьютер и метод функционала электронной плотности, авторы рассчитали атомную и электронную структуру различных кластеров в системе Si-Be. В элементарной ячейке кремния легко обнаружить неплоское шестичленное кольцо, конфигурация которого напоминает кресло. Пара таких “кресел” с добавлением двух атомов Be дает устойчивый кластер Si12Be2. Если теперь удвоить число атомов кремния, добавив ещё пару кресел, то с кластером происходит замечательная метаморфоза: четыре кремниевых шестиугольника становятся плоскими, выстраиваются строго друг над другом и образуют фрагмент нанотрубки с двумя атомами бериллия вблизи торцов. Этот фрагмент может служить элементарным кирпичиком, из которого строится трубка какой угодно длины. Авторы проанализировали стабильность структуры и электронные свойства гексагональных кремниевых нанотрубок, легированных Be, в зависимости от количества и месторасположения атомов последнего. Их ответ на вопрос, вынесенный в заголовок, гласит: “Да, можно, с бериллиевой помощью”. Осталось только придумать, как это сделать не в компьютере, а в натуре.

С.Чикичев

  1. Nano Letters, 2002, 2(11), pp.1243-1248

НАНОТЕХНОЛОГИИ

Нанокристаллы SiGe в микрорезонаторе
Хорошо известно, что нанокристаллы (нк) непрямозонных полупроводников (Si, Ge и твердого раствора SiGe) будучи “замурованными” в широкозонную диэлектрическую матрицу (SiO2, Si3N4, Al2O3) могут излучать в широком спектральном диапазоне, включая и видимый свет. И хотя о механизмах этого свечения учёные спорят до сих пор, экспериментаторы активно работают над способами модификации излучательных свойств нанокристаллов этих полупроводников. Весьма перспективным здесь представляется использование резонаторов.

Одна из последних работ на эту тему опубликована группой японских исследователей [1]. Активным слоем служили пленки SiO2 c нк-Si и нк-Si0.1Ge0.9. Пленку размещали между двумя брэгговскими зеркалами, которые представляли собой три пары слоев Si/SiO2. Всю структуру изготавливали методом ионного распыления соответствующих мишеней на подложку из плавленного кварца. Образование нанокристаллов (диаметром 4-5нм) происходило при отжиге в атмосфере азота (1100° С, 10 мин). Толщина активного слоя выбиралась равной l /n, а брэгговских отражателей - l /4n, где l - резонансная длина волны, а n - показатель преломления. По данным спектральной эллипсометрии n=1.70 (l =867нм) для SiO2 c нк-Si и n=2.18 (l =940нм) для SiO2 c нк-SiGe. Спектры фотолюминесценции (300К) показали, что использование микрорезонатора привело к существенному сужению линии излучения: с 315мэВ до 17мэВ для нк-Si и с 345 до 16мэВ для нк-SiGe. Интенсивность же излучения возросла примерно в 20 раз, а с учетом потерь в верхнем брэгговском отражателе – более чем в 120 раз. Причем указанное возрастание интенсивности имело место только вдоль оси резонатора, как это и должно быть.

Резюмируя, можно сказать, что излучающий нанокристалл – это хорошо, а нанокристалл в микрорезонаторе – много лучше.

С.Чикичев

  1. J.Appl.Phys. 2003, 93(4), pp.2178-2181

Супероднородный ансамбль квантовых точек PbSe
Самоформирующиеся совокупности наноостровков в полупроводниковых гетеросистемах с рассогласованными параметрами решётки уже более 10 лет находятся в центре внимания нанотехнологов. Механизмы их формирования в классических гетеропарах Ge/Si и InAs/GaAs изучены весьма детально. Однако однородность размеров квантовых точек редко бывает лучше, чем 10-15%.

В недавней публикации интернациональной группы физиков из Цюриха [1] сообщается, что в гетеросистеме PbSe/PbTe удаётся создать ансамбль квантовых точек, размеры которых отличаются всего на 2-3%!

Одинаковые кристаллики PbSe формировали на плёнке PbTe (толщиной 4мкм), выращенной на подложке Si(111) через тонкий (3нм) буферный слой CaF2. Селенид свинца осаждали из молекулярного пучка при температуре подложки 350° С со скоростью менее одного монослоя в секунду до эквивалентной толщины 3-4 монослоя. Квантовые точки представляли собой правильные трёхгранные (100) пирамиды высотой 15-18нм (со средним квадратичным отклонением 2-3%) и содержали до 5 x 104 молекул PbSe.

В чём же причина высокой однородности размеров? Авторы отмечают два фактора, которые могут пролить свет на это явление. Для "одинаковости" необходимо соблюдение 2-х условий:

  1. одновременное зарождение точек (за время, много меньшее времени роста),
  2. одинаковая скорость роста всех кристаллов.

Первый фактор обеспечивают специфические свойства квазиподложки PbTe. Теллурид свинца сильно рассогласован с Si и по параметру решётки (19%) и по коэффициенту термического расширения (2.6 x 10-6 К-1 для Si , 20 x 10-6 К-1 для PbTe), поэтому плотность дислокаций в плёнке PbTe составляет 107 – 108 см-2.

Характерной особенностью халькогенидов свинца является то, что прорастающие сегменты дислокаций несоответствия в них легко скользят при ростовых температурах. При этом на поверхности формируютя системы прямых моноатомных ступеней, ориентированных по <110>. Изломы на этих ступенях существенно облегчают образование критических зародышей PbSe, которые и образуются на самой начальной стадии эпитаксии (с плотностью ~1010 см-2). Если допустить теперь, что среднее расстояние между зародышами превышает удвоенную длину поверхностной диффузии молекул PbSe (lambda), то каждый зародившийся нанокристалл будет иметь одинаковую “зону питания” (круг радиусом (lambda)) и, соответственно, одинаковую скорость роста. Естественно, не все зародыши удовлетворяют такому условию, поэтому распределение квантовых точек по высоте слегка асимметрично.

Тем не менее, синтез ансамбля нанокристаллов с рекордно малым разбросом размеров стал свершившимся фактом.

С.Чикичев

  1. Phys.Rev.Letters, 2003, 90, p. 026104

Токовая модификация КНИ нанопроволок
Проволоки для того и существуют, чтобы по ним хотя бы изредка пропускать электрический ток. В этом смысле нанопроволоки, в том числе и полупроводниковые, не являются исключением. Если плотность тока j невелика, то ничего интересного не происходит. При достаточно большом токе проволока просто плавится. Между двумя этими крайностями лежит диапазон j, когда влияние тока на свойства может быть непредсказуемым. В работе французских исследователей (Марсель-Гренобль) [1] приведены результаты любопытных наблюдений кремниевых нанопроволок после того, как через них в течение фиксированного промежутка времени протекал этот промежуточный ток. Нанопроволоки (толщина 15-20нм, длина ~ 1мкм) изготавливали из структур кремний-на-изоляторе, используя атомно-силовой микроскоп, селективное травление и ионную имплантацию. Концентрация электронов в нанопроволоке составляла 8?1018см-3. Токоподводящие дорожки были сделаны из кремния с более высокой концентрацией примеси, так что контакты к нанопроволоке представляли собой переходы типа n+/n.

В эксперименте на контакты в течение 5 минут подавали напряжение (U=0.1; 1; 2; 5; 10; 15 и 20В, положительный потенциал на стоковом контакте при заземленном истоковом), затем снимали АСМ-изображение образца. Для каждого напряжения процедуру повторяли 6 раз, так что суммарное время протекания тока через нанопроволоку составляло 30 минут. При U меньше или равно 10В ничего особенного с проволокой не происходило. Однако уже первая пятиминутка при U=15В (плотность тока j=2 x 106 Асм-2, среднее поле Е=1.15 x 105Всм-1) кардинально изменяла структуру образца. Вблизи стокового контакта сплошность пленки нарушалась, образовывались пустоты, а на исходно-гладкой поверхности возникали нитеобразные наросты (шириной 45нм и высотой 7нм), вытянутые вдоль направления тока. Травление в HF показало, что каналы состоят из Si, а не SiO2. Дальнейшие токовые обработки уже не меняли картину (проволока "перегорала" при 20В).

Авторы [1] считают, что эффект связан с процессами электропереноса положительных ионов кремния в нанопроволоке под действием приложенного электрического поля.

Дополнительные эксперименты с образцами другой формы (Z-образными и трёхконтактными) показали, что в достаточно больших полях имеет место шнурование тока, протекающего через нанопроволоку. Шнурование сопровождается существенным массопереносом кремниевых атомов в направлении поля.

Наблюдаемые процессы могут быть причиной отказов в будущих наноэлектронных устройствах, использующих Si нанопроволоки.

С.Чикичев

Appl. Phys. Letters, 2003, 82, pp.1727-1729

Сочетание высокой прочности с пластичностью в наноструктурных материалах
Нанокристаллические материалы - это твердые тела, состоящие из нанозерен или нанокристаллитов. Эти материалы обладают необычными функциональными свойствами - сверхпрочные металлы, пластичная керамика, износостойкие материалы. Особый интерес к нанокристаллическим материалам вызван тем фактом, что в них возможно сочетание высокой прочности с высокой пластичностью.

Обычно пластическая деформация определяется дислокациями – линейными дефектами регулярной кристаллической решетки – внутри каждого зерна. Прочность и пластичность обычно взаимоисключающие характеристики: чем выше прочность, тем меньше пластичность, и наоборот. Такова уж природа пластичности: чем труднее дислокациям образовываться и двигаться, тем прочнее любой кристаллический материал, но тем более он хрупок, непластичен.

Существует предположение, что механизм пластической деформации в нанокристаллических материалах может определяться иными механизмами. Возможно, доказательством такого предположения является получение специалистами The Johns Hopkins University (США) необычного нанокристаллического материала, в котором объединены высокая прочность с пластичностью. Это – наноструктурная медь, полученная методом "очень холодной" (ниже 77K) прокатки с последующим нагревом до 450K. В результате получена бимодальная структура, состоящая из микрозерен (объем фракции до 25%), погруженных в матрицу нанозерен. Авторы считают, что в синтезированном материале нанозерна обеспечивают прочность, а включенные микрозерна стабилизируют деформацию растяжения.

Принципиально предложенный в [1] метод универсален, применим к другим металлическим наноматериалам. Это подтверждают и результаты компьютерного моделирования механического поведения металлов, обладающих бимодальной структурой.

Группа исследователей из Института физики перспективных материалов при Государственном авиационном техническом университете (г. Уфа) разработала другой метод изготовления нанокристаллических материалов с высокими значениями прочности и пластичности. Суть его - в изменении механизма деформации и создании так называемой ротационной пластичности, связанной с ротацией зерен в материале [2, 3].

Пластичные и прочные наноструктурные материалы исключительно перспективны для биомедицинских имплантантов.

Л.Журавлева

  1. Nature, 2002, 419, N 6907
  2. Prog. Mater. Sci, 2000, 45, pp. 103 – 189
  3. J. Mater. Res, 2002, 17, pp. 5 – 8

СПИНТРОНИКА

Заряды - отдельно, спины - отдельно...
Заряд и спин электрона – его неотъемлемые фундаментальные характеристики. “Как не бывает улыбки без кота, так не бывает электрона без заряда или спина”, говорили нам еще в школе, вспоминая сказочного персонажа Л.Кэролла. Недавно в [1] были получены экспериментальные данные, отчасти смягчающие этот приговор. Взаимодействующие электроны проводимости обычно описывают с помощью теории ферми–жидкости, в которой, несмотря на сильное взаимодействие, низкоэнергетические возбуждения являются электроно-подобными квазичастицами с зарядом и спином. В последние годы возник огромный интерес к проводящим системам, не являющимся ферми-жидкостями. Это обусловлено наблюдением высоко аномальных металлических состояний в различных материалах (наиболее заметные – сверхпроводники на основе оксида меди). Поведение нефермиевских жидкостей характерно для одномерных взаимодействующих проводящих систем, которые описываются как жидкости Люттингера [2]. Одно из их ключевых свойств – спин-зарядовое разделение: вместо заряженных квазичастиц со спином формируются коллективные возбуждения заряда (без спина) и спиновой плотности (без заряда). Они движутся независимо и с разными скоростями.

Однако экспериментальное разделение этих возбуждений требует специальных мер.

Квазиодномерная проводимость реализуется в углеродных нанотрубках [3], вдоль дислокаций в полупроводниках [4], в проводящих полимерах и кристаллических твердых телах. Одномерность этих систем приводит или к геометрическим ограничениям, или к особенностям электронной структуры трехмерного кристалла. Это случай солей (ТМ)2Х, состоящих из “столбиков” или “цепочек” органических молекул тетраметилселенофульвалена (ТМ или ТМТSF) с различными анионами X, такими как PF6- и ClO4-. Электронные свойства сильно анизотропны, поскольку перекрытие соответствующих орбиталей значительно сильнее в направлении столбиков (цепочек), чем в перпендикулярном направлении. Поэтому эти материалы являются замечательной модельной системой. Из-за сильного кулоновского взаимодействия между электронами в цепи материалы могут рассматриваться как сильно коррелированная мотт-хаббардовская система. Их электронная фазовая диаграмма исключительно богата различными упорядоченными состояниями при низкой температуре, когда слабое межцепочечное взаимодействие вызывает поведение, характерное для систем с высокой размерностью.

Особенности спин-зарядового поведения в [1] изучали, измеряя электро- и теплопроводность. Эксперименты были основаны на простой идее: вклад в электрический ток могут давать только возбуждения с переносом заряда, в то время как в поток тепла дают вклады процессы переноса и заряда, и спина. Поэтому сравнение температурных зависимостей тепло- и электропроводности может быть использовано для разделения упомянутых возбуждений.

Авторы [1] обнаружили различия теплопроводности вдоль и поперек цепочек, а также сильное подавление теплопроводности магнитным полем при Т < 100К. Кроме того, обнаружилось сильное различие между предсказаниями теории для вклада акустических фононов в теплопроводность и экспериментальными данными, показавшими, что даже учет возможной добавки от оптических ветвей фононного спектра не позволяет объяснить рост теплопроводности при температурах, близких к комнатной. Из этого факта авторы заключили, что резкое возрастание теплопроводности при высоких температурах не может быть объяснено вкладом оптических фононов и имеет “нефононное” происхождение. Так возникло предположение о вкладе магнитных спиновых возбуждений электронной подсистемы в теплопроводность. Эта возможность представляется реалистичной еще и потому, что величины обменного интеграла довольно велики, ~500К. Было произведено сравнение температурных зависимостей вклада акустических фононов и носителей заряда в теплопроводность. Вклад последних был получен путем измерения электрической проводимости и пересчетом по закону Видемана–Франца в тепловой поток. Обнаружилось, что вклады в тепловой поток от спиновых и зарядовых возбуждений имеют разную температурную зависимость и величину. Это и позволило разделить зарядовые и спиновые возбуждения.

Синтез и исследование магнитных и электрических свойств различных солей на основе тетратиофульваленов осуществляет группа проф. Э.Б.Ягубского (ИПХФ РАН, Черноголовка), а рентгеноструктурные исследования этих новых соединений активно проводит группа проф. Р.П.Шибаевой (ИФТТ РАН) [5]. Одно из возможных практических применений синтезируемых кристаллов - приборы молекулярной и спиновой электроники. В частности, синтезированные недавно в ИПХФ РАН кристаллы, в которых чередуются проводящие (ВЕDT-TTF) и диэлектрические (оксалаты магнитных ионов, Fe3+, Cr3+) слои, открывают возможность управления электрическим током, переключая ориентации спинов в магнитном поле.

Р.Моргунов

  1. Letters to Nature, 2002, 418, p.614
  2. Rep. Prog. Phys., 1995, 58, p.977
  3. Осипьян Ю.А., Бредихин С.И., Кведер В.В., Классен Н.В., Негрий В.Д., Петренко В.Ф., Смирнова И.С., Шевченко С.А., Шмурак С.З., Штейнман Э.А. Электронные свойства дислокаций в полупроводниках (М., Эдиториал УРСС, 2000)
  4. Nature, 1999, 397, p.598
  5. Solid State Commun., 1999, 111, p.329

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Минеральные волокна
Получение “усов” сверхчистых металлов и алмаза, нитевидных кристаллов кремния или сверхпроводящих вискеров Bi2Sr2CaCu2O8 стало уже классикой современной химии функциональных материалов. Наряду с необычными физическими свойствами таких волокон, интерес представляет и их высокий прикладной потенциал. ПерсТ уже сообщал о получении необычных материалов, например, купратной сверхпроводящей ткани и пены (см. ПерсТ, 2002, 9, вып.17). Оказывается, и марганец-содержащие системы могут принимать столь же необычные формы. Недавно в лаборатории неорганического материаловедения (заведующий лабораторией - академик РАН, проф. Ю.Д.Третьяков) химического факультета МГУ разработан процесс выращивания нитевидных кристаллов в системе Ba-Mn-O.

wpeD.jpg (11609 bytes)

Рис. 1. Таблетка манганита бария BaMnO3 (1) после недели пребывания в тигле с испаряющимся растворителем – хлоридом калия. Видны волокна фазы Ba6Mn24O48, формирующиеся в месте тройного контакта "расплав - газовая фаза - твердая фаза (2).

Уникальной формой, которую очевидцы сравнивают с ватой, мехом или войлоком, обладают кристаллы каркасных фаз (голландит Ba2-xMn8-yO16) и Ba6Mn24O48, полученные изотермическим испарением из расплава хлоридного флюса (KCl, NaCl или KCl/NaCl).

При детальном рассмотрении (рис.2) замечено, что вершины многих нитей имеют утолщения, в 1.5-2 раза превышающие их диаметр. Этот эффект может быть связан с испарением расплава KCl (p(KCl)= 7.64 мм рт. ст. при 950° C) и одновременным транспортом летучего MnCl2 через газовую фазу к вершине растущего кристалла, на которой локализована пленка расплава нелетучего хлорида бария. Этот процесс в литературе носит название роста кристаллов по механизму “пар-жидкость-кристалл”. Хотя в большинстве случаев “войлок” представляет собой смесь кристаллов обеих фаз, были найдены условия роста чистых кристаллов голландита и фазы Ba6Mn24O48 [1]. Опытный глаз даже в смеси может различить более тонкие, более “волосяные” кристаллы фазы Ba6Mn24O48 от более толстых, более “щетинистых” кристаллов голландита Ba2-xMn8-yO16.

wpeE.jpg (18587 bytes)

Рис.2. Нитевидные кристаллы голландита Ba2-xMn8-xO16

Оригинальная кристаллическая структура выращенных вискеров манганитов сама по себе заслуживает восхищения. Каркас, состоящий из сочлененных различным образом структрурных блоков – октаэдров MnO6, образует туннели, в которых могут размещаться катионы других металлов. Если в структуре голландита имеется два типа туннелей: первые в сечении имеют форму квадрата, каждая сторона которого образована сочленением по ребрам двух октаэдров MnO6, и размещают один ряд катионов бария, а вторые образуются при сочленении туннелей первого типа и не заняты катионами бария; то Ba6Mn24O48 характеризуется наличием трех типов туннелей. Первый – голландитоподобные туннели, второй – рутилоподобные не занятые катионами бария туннели, кроме того, образуются туннели третьего типа сложной формы, размещающие два ряда катионов бария. В туннелях последнего типа катионы бария обладают собственной периодичностью, бариевая подрешетка является частично разупорядоченной и при переходе от туннеля к туннелю положение катионов бария может смещаться, что приводит к различной степени заселения туннелей.

wpeF.jpg (17896 bytes)

Рис .3. Кристаллическая структура фазы Ba6Mn24O48 [2]

Даже без знания всех этих особенностей кристаллической структуры одного взгляда на ее изображение достаточно, чтобы увидеть потенциал скрытых в ней возможностей практического применения: ионный проводник, катодный материал, катализатор, а может быть, и матрица для хранения радиоактивных отходов.

Е.А.Померанцева

(katya@inorg.chem.msu.ru), ФНМ МГУ

Е.А.Гудилин

(goodilin@inorg.chem.msu.ru), Химфак МГУ

  1. ДАН, 2000, 372, c.100-104
  2. J. Solid State Chem. 1997, 132, рр. 239-248

НАШИ ДОРОГИЕ ИГРУШКИ

Нитрид индия поставили на место и, как минимум, дважды
Нитрид индия – давно и хорошо известный полупроводниковый материал из группы A3B5. В последние годы складывалось представление, что основное предназначение нитрида индия, как и ряда других материалов этой группы, быть составной частью твердых полупроводниковых растворов, активно создаваемых и используемых полупроводниковыми технологами. Особая перспектива нитрида индия виделась в том, что он являлся идеальным партнером для создания твердого раствора с другим нитридом – с широкозонным полупроводником - нитридом галлия. Тройные соединения этих полупроводников, как предполагалось, способны обеспечить создание материалов для устройств оптоэлектроники в широком диапазоне длин волн – от ближнего ультрафиолета до красной части видимого диапазона.

И вот, надо же, нитрид индия оказался даже еще лучше, чем это от него ожидали. Отдельный вопрос в том, можно ли считать “лучшим” материал, который в течение нескольких десятилетий ухитрялся скрывать истинную величину ширины запрещенной зоны от многочисленной армии исследователей полупроводниковых материалов. Как оказалось, ширина запрещенной зоны нитрида индия существенно - почти в три раза - меньше, чем это указывалось до сих пор в справочниках. В свою очередь, это означает, что твердый раствор InN-GaN за счет вариации состава сможет обеспечивать непрерывную гамму полупроводниковых материалов для устройств оптоэлектроники (от УФ до ближнего ИК диапазона, включая, разумеется, и всю видимую область). Так что, старое было отвергнуто заслуженно и не без перспективы для будущего.

Вообще, стремление к ниспровержению, по-видимому, общечеловеческая страсть, что отмечено со времен Герострата. К тому же ниспровержение научных основ автоматически ставит на соответствующее место легковерных коллег ниспровергателей, так что в научном мире возможность что-либо ниспровергнуть никто и никогда не упускает. На этот раз в первых рядах ниспровергателей оказались наши ученые, первыми заподозрившие, что в случае нитрида индия общепринятое не соответствует действительности. Вообще “наши” находятся в, известном смысле, в привилегированном положении, поскольку омывающий нас информационный поток перманентно поддерживает в тонусе природный критицизм.

Понимая, что позиция ниспровергателя (особенно на начальном этапе) весьма уязвима, коллектив авторов из ФТИ им. А.Ф.Иоффе, прежде чем на международном уровне объявить о пересмотре Eg для InN, обкатывал идею на внутрироссийских конференциях, готовил красноречивые экспериментальные данные и соответствующую им теорию. Для пущей презентабельности была организована даже целая коллегия интернациональных соавторов. Тем не менее, Physical Review Letters летом 2001 г. не счел аргументы убедительными и статью соответствующего содержания не принял. Однако авторы уже были уверены в своей правоте – за ними были независимые данные нескольких типов экспериментов, расчеты, подтверждающие эксперимент и мощный интернациональный авторский коллектив; и они “выстрелили” сразу серией статей [1,2,3] в международный журнал, который уже не смог найти возражений.

Особую убедительность опубликованным статьям придавало то, что помимо собственно подробных доказательств узкозонности, авторы тщательно отследили причину столь длительно просуществовавшего заблуждения о запрещенной зоне InN в 2эВ. Как оказалось, существовали сразу два механизма, приводившие к завышению определяемой величины Eg. При этом оба механизма появлялись вследствие единой причины – недостаточной чистоты материала. Во-первых, это приводило к значительной концентрации избыточных носителей, и, вследствие этого, к сдвигу полос поглощения и люминесценции в сторону коротких длин волн (эффект Мосса-Бурштейна). Во-вторых, пленки, использовавшиеся в оптических опытах, достаточно часто содержали много кислорода, который в этот материал входил, как оказалось, в качестве окислителя индия, так что в итоге образовывался твердый раствор нитрида и оксида индия. Про последнее вещество известно, что оно используется в качестве компонента прозрачного покрытия; так что на этом месте сомнения в том, откуда возникает завышенное Eg, должны были полностью рассеяться.

Однако здесь начинается новый, неожиданный виток этой истории. Вместе с сомнениями о величине параметра Eg для InN у авторов рассеялись неприятные воспоминания о тяжкой доле “первониспровергателей”, и они отправились нести свет нового знания за океан. Говорят, заокеанские “туземцы” были просто поражены тем, что услышали. Но еще более, видимо, были поражены наши “миссионеры”, когда увидели через пару месяцев аналогичную серию статей в еще более солидных журналах [4,5,6], отправленную их “успешно новообращенными” коллегами. Где-то, во втором десятке ссылок, в этих статьях упоминалась о работе российских авторов, но очень ненавязчиво. Более того, эти коллеги запустили информацию о своих открытиях и в облегченную научную периодику [7], окончательно застолбив открытие в широких научных кругах.

Так что про ширину запрещенной зоны нитрида индия можно не волноваться – теперь-то мы знаем ее истинную и общепризнанную величину, около 0.7эВ. Что же касается морального облика туземцев – что с них взять? У них свои правила и обычаи. Во времена, когда А.С.Грибоедов у нас писал пророческое “Горе от ума”, среди тамошнего населения считалось высокоморальным поступком снять скальп с заезжего бледнолицего. Не будем забывать - освоение новых земель всегда дело рискованное. Кому-то удается привезти домой золотой песок или пряности, а кого-то могут и просто съесть, как капитана Кука.

М.Компан

  1. V.Davydov et al, Phys. Stat. Solidi (b), 2002, 229, R1
  2. V.Davydov et al, Phys. Stat. Solidi (b), 2002, 230, R4
  3. V.Davydov et al, Phys. Stat. Solidi (b), 2002, 234, 787
  4. J.Wu et al., Appl. Phys. Lett., 2002, 80, p.3967
  5. J.Wu et al., Appl. Phys. Lett., 2002, 80, p.4741
  6. J.Wu et al., Phys. Rev. B Rapid Communication, in press
  7. H.A.Jones-Bey. Laser Focus World, January 2003, p.15

КВАНТОВЫЕ СИСТЕМЫ

Квант площади?
Из истории физики известно, что разработке полной теории того или иного явления часто предшествует гениальная догадка. Так, например, Бор угадал вид энергетического спектра атома водорода еще до формулировки строгих математических основ квантовой механики (чем, кстати, в немалой степени поспособствовал ее скорейшему созданию). В настоящее время на стадии угадывания находятся работы по решению одной из основных проблем современной физики – проблемы объединения квантовой теории с общей теорией относительности. И похоже на то, что очередная "догадка" [1] очень близка к истине.

А началось все в 1975 году, когда знаменитый Хокинг предсказал, что черные дыры – на самом деле "не совсем черные": если принять во внимание законы квантовой механики, они должны слегка светиться, как если бы их температура была отлична от нуля [2]. Это излучение очень слабое. Его никто никогда не наблюдал. Но тщательная проверка расчетов Хокинга показала, что ошибки в них нет. Раз черные дыры имеют температуру, то к ним применимы термодинамические характеристики. В частности, было показано, что энтропия черной дыры пропорциональна площади ее "поверхности". Был даже рассчитан коэффициент пропорциональности. А поскольку энтропия есть мера беспорядка, то есть фактически – мера числа различных "микросостояний", в которых может находиться система, то встает естественный вопрос: что представляют собой микросостояния черной дыры? В отличие от, например, газа в ограниченном объеме, где разные микросостояния соответствуют просто-напросто разным способам перестановки частиц, для черных дыр этот вопрос отнюдь не тривиален. Долгие годы физики пытались найти ответ на него. Были высказаны десятки гипотез. Пропорциональность энтропии и площади поверхности черной дыры навела на мысль, что микросостояния черной дыры описывают геометрию ее поверхности. Конечно, эта поверхность не является четко очерченной, а представляет собой лишь воображаемую границу, при пересечении которой любой объект навечно остается в плену у черной дыры.

В некотором смысле поверхность черной дыры подобна гибкой мембране. Чтобы рассчитать число ее микросостояний требуется квантово-механическое описание. Определенный прогресс был достигнут в рамках одного из вариантов квантовой теории гравитации [3], согласно которому структура пространства подобна ткани из тончайших ниток, причем площадь любой поверхности дискретна: "квант площади" представляет собой размер области, приходящейся на одну такую ниточку, пересекающую поверхность. Таким образом, площадь поверхности черной дыры определяется числом протыкающих ее ниточек. При этом поверхность является плоской всюду, кроме точек пересечения, в которых она может изгибаться. Число микросостояний черной дыры определяется количеством различных способов, которыми можно изогнуть ее поверхность. В рамках этого подхода в 1997 году удалось получить альтернативное доказательство пропорциональности энтропии и площади поверхности не вращающейся черной дыры [4] и, используя найденный ранее Хокингом коэффициент пропорциональности, найти квант площади S0. Годом позже квант площади был рассчитан совершенно другим способом [5] на основании простых аргументов, заимствованных из боровской теории атома водорода. Предположив дискретность энергетического спектра черной дыры и использовав данные компьютерного моделирования частот ее собственных колебаний [6], автору [5] удалось найти расстояние между уровнями энергии, которое, в свою очередь, связано с площадью поверхности. Квант площади оказался равным S0 = 4.39444SPl, где SPl » 10-70 м2 – так называемая "планковская площадь" (квадрат "планковской длины", которая определяется значениями скорости света, гравитационной постоянной и постоянной Планка). При этом, как было подмечено в [5], численный коэффициент в соотношении между S0 и SPl на удивление близок к натуральному логарифму трех, помноженному на четыре…

Полученные в [5] результаты, однако, не совпали с данными статьи [4], что стало поводом сомневаться в правильности, как минимум, одной из этих работ и, соответственно, лежащих в их основе теорий. Заслуга Дрейера [1] состоит в том, что ему удалось так "подправить" использованную в [4] квантовую теорию гравитации, что было не просто достигнуто согласие с данными работы [5], а найдена величина S0, оказавшаяся равной в точности 4ln(3)SPl! Что это: случайное совпадение, или же существование кванта площади следует считать доказанным? Пока новых вопросов больше, чем ответов на старые. Никому не ясны ни причины того, почему столь различные теории [1] и [5] приводят к одинаковым выводам, ни пути обобщения расчетов на случай вращающихся черных дыр... Ответы даст время. Или пространство ?…

По материалам заметки [7].

  1. O.Dreyer, preprint gr-qc/0211076, to be published витации [3], согласно которому структура про in Physical Review Letters
  2. S.Hawking, Commun. Math. Phys., 1975, 43, p199
  3. C.Rovelli, Living Rev. Relativity ,1998, 1, p.1
  4. A.Ashtekar et al., Phys. Rev. Lett., 1998, 80, p.904
  5. S.Hod, Phys. Rev. Lett., 1998, 81, p.4293
  6. H.-P.Nollert, Phys. Rev. D, 1993, 47, p.5253
  7. J.Baez, Nature, 2003, 421, p.702

Как бороться с терроризмом? Советы физика
Атака на США, имевшая место 11 сентября 2001 года, показала, что терроризм в наше время не имеет границ… Ранее авторы препринта развили теорию, согласно которой распространению терроризма по планете способствует рост числа “пассивных сторонников” террора, которые хотя сами и не совершают теракты, но в душе одобряют действия террористов. Из этой теории вытекает, что основным стратегическим направлением борьбы с терроризмом является уменьшение числа “пассивных сторонников” ниже порога перколяции pc. Но понятно, что нейтрализация многих миллионов хаотически распределенных по миру людей – задача фактически невыполнимая. Но есть и другой подход к проблеме. Он заключается в изменении самого порога перколяции pc. Поскольку пространство, в котором происходит перколяция, является многомерным виртуальным социальным пространством, то величину pc можно увеличить путем уменьшения размера этого пространства, оставляя количество “пассивных сторонников” неизменным. При этом всемирная сетка “пассивных сторонников” окажется разорванной на отдельные, не связанные между собой кластеры конечных размеров. Глобальная угроза от терроризма спонтанно превратится в несколько локальных проблем, с которыми уже можно будет легко справиться обычными военными методами.

S.Galam, A.Mauger, http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0301317

Contact: Serge Galam galam@ccr.jussieu.fr

КОНФЕРЕНЦИИ

18 - 23 мая 2003 года. Школа по сверхпроводимости. г. Протвино, Московской обл.

Тематика школы

включает обзорные лекции и оригинальные сообщения по следующим направлениям:

Председатель оргкомитета проф. В.Е. Кейлин

тел.: (095) 196-99-11

факс: (095) 196-59-73

e-mail: kev@isssph.kiae.ru

Ученый секретарь к.т.н. В.С. Круглов

тел.: (095) 196-77-17

факс: (095) 196-59-73

e-mail: kruglov@isssph.kiae.ru

Заявки на участие в школе следует присылать В.А. Шарыкину

тел.: (095) 196-96-00

факс: (095) 196-59-73

НОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗДАНИЯ

Электронная версия Писем в ЖЭТФ
К уже существующим в открытом доступе в Интернете российским физическим журналам (ЖТФ, Письма в ЖТФ, ФТТ, ФТПП (www.ioffe.rssi.ru) и УФН (www.ufn.ru) с недавних пор добавились и Письма в ЖЭТФ (www.jetpletters.ac.ru).


Редактор С.Т.Корецкая,
тел: (095) 930 33 89
perst@isssph.kiae.ru

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