Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Kontrola spinu w krzemie
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Po raz pierwszy udało się zmierzyć spin elektronu w materiale. Osiągnięcie uczonych z Uniwersytetów w Bolonii, Wenecji, Mediolanie, Würzburgu oraz University of St. Andrews, Boston College i University of Santa Barbara może zrewolucjonizować sposób badania i wykorzystania kwantowych materiałów w takich dziedzinach jak biomedycyna, energia odnawialna czy komputery kwantowe. Pomiar spinu w kontekście topologii materiału, w którym był mierzony, był możliwy dzięki wykorzystaniu promieniowania synchrotronowego oraz nowoczesnym technikom modelowania zachowania materii.
Profesor Domenico di Sante z Uniwersytetu w Bolonii wyjaśnia: Na zachowanie elektronów w materiałach mają wpływ pewne właściwości kwantowe, determinujące ich spin w materiale, w którym się znajdują. Tak jak na tor ruchu światła we wszechświecie ma wpływ obecność gwiazd, ciemnej materii czy czarnych dziur, które zaginają czasoprzestrzeń.
Właściwości elektronu znamy od dawna, jednak dotychczas nikt nie bezpośrednio nie zmierzył „topologicznego spinu” elektronu. Uczeni z Włoch, Niemiec, Wielkiej Brytanii i USA wykorzystali efekt znany jako dichroizm kołowy. Zjawisko to polega na różnej absorpcji przez substancje światła spolaryzowanego kołowo prawo- i lewoskrętnie. W swoich badaniach skupili się na metalach kagome. To materiały, w których atomy tworzą – znany z tradycyjnego japońskiego koszykarstwa kagome – wzór składający się z sieci trójkątów o wspólnych wierzchołkach. Ta nietypowa geometria atomów powoduje, że elektrony zachowują się w takim materiale w sposób nietypowy, co pozwala badać niezwykłe zjawiska kwantowe. Metale kagome służą m.in. do badań nad nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym. Pierwsze eksperymenty z nimi przeprowadzono w USA w 2018 roku.
Teraz dwuwarstwowe metale kagome XV6Sn6 – gdzie X oznacza pierwiastek ziem rzadkich, tutaj były to terb, skand i holm – posłużyły do badania topologicznego spinu elektronu. Było to możliwe dzięki połączeniu eksperymentu z analizą teoretyczną. Teoretycy przeprowadzili najpierw złożone symulacje kwantowe na potężnych superkomputerach i poinstruowali eksperymentatorów, w którym miejscu materiału powinni mierzyć dichroizm kołowy, wyjaśnia Di Sante.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z University of Chicago’s Pritzker School of Molecular Engineering ogłosili, że za pomocą prostej modyfikacji aż o 10 000 razy wydłużyli czas trwania koherencji stanu kwantowego. Co prawda udało się to w dość szczególnym przypadku kubitów w ciele stałym, ale uczeni twierdzą, że ich technika powinna sprawdzić się też w wielu innych systemach kwantowych.
To przełom, który kładzie podwaliny pod nowe badania w dziedzinie nauk kwantowych. Szeroka możliwość zastosowania tego odkrycia w połączeniu z niezwykle prostą implementacją wskazuje, że będzie to miało zastosowanie w wielu aspektach inżynierii kwantowej. Pozwala to na prowadzenie nowych rodzajów badań, które dotychczas były uważane za niepraktyczne, wyjaśnia główny autor badań, profesor David Awschalom.
Stany kwantowe są niezwykle delikatne. Ulegają zniszczeniu pod wpływem oddziaływania z zewnątrz. Jeden ze sposobów na ich zachowanie jest fizyczne odizolowanie systemu od otoczenia, sposób drugi to tworzenie jak najbardziej czystych materiałów. Obie metody są trudne i kosztowne. Naukowcy z Chicago znaleźli trzeci sposób.
Nie próbujemy wyeliminować szumu z otoczenia. Przekonujemy system, że nie doświadcza szumu, mówi jeden z badaczy, Kevin Miao. Naukowcy wykorzystali standardowe impulsy elektromagnetyczne używane do kontroli systemów kwantowych, ale dodatkowo zaaplikowali wciąż zmieniające się pole magnetyczne. Dzięki jego precyzyjnemu dostrojeniu byli w stanie szybko zmieniać spin elektronów, dzięki czemu system wyłącza szum. To tak, jakbyśmy siedzieli na karuzeli, a wokół byliby krzyczący ludzie. Jeśli karuzela się nie porusza, wszystko dobrze słyszymy. Jednak jeśli się bardzo szybko kręci, ich krzyki zlewają się z tłem, wyjaśnia Miao.
Ta niewielka zmiana spowodowała, że koherencję systemu kwantowego udało się utrzymać przez 22 milisekundy. To 4 rzędy wielkości więcej niż dotychczasowy rekord utrzymania koherencji systemu opartego na spinie elektronu. Nowy system jest w stanie niemal całkowicie wyłączyć niektóre formy fluktuacji temperatury, wibracji czy zakłóceń elektromagnetycznych.
Awschalom nie wyklucza, że nowy system uda się skalować. Powinno to pozwolić na opracowanie praktycznych metod przechowywania informacji w spinie elektronu. Przedłużony czas koherencji pozwoli zaś komputerowi kwantowemu na przeprowadzenie bardziej złożonych operacji, umożliwi przesłanie na dłuższe odległości informacji kantowej z urządzeń bazujących na spinie, stwierdza uczony.
Naukowcy twierdzą też, że – w przeciwieństwie do wielu innych dotychczasowych technik – ich wynalazek można zastosować w wielu różnych systemach kwantowych. Wiele interesujących technologii kwantowych zostało odłożonych na półkę, gdyż nie udawało się w nich utrzymać koherencji przez odpowiednio długi czas. Teraz – dzięki znaczącemu wydłużeniu czasu koherencji – będzie można do nich wrócić. A najlepsze, że można to tak niewiarygodnie łatwo osiągnąć. Podstawy teoretyczne naszej techniki są bardzo skomplikowane, jednak sama technika polegająca na dodaniu zmieniającego się pola magnetycznego jest bardzo prosta, mówi Miao.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Współpraca naukowców z University of New South Wales, Melbourne University i Purdu University zaowocowała stworzeniem najmniejszego połączenia elektrycznego umieszczonego na krzemie. Ma ono grubość 1 atomu i szerokość 4 atomów. Mimo tak niewielkich rozmiarów transport elektronów odbywa się równie wydajnie co za pomocą tradycyjnego połączenia miedzianego.
Osiągnięcie to ma olbrzymie znacznie na wielu polach rozwoju elektroniki i inżynierii. Pozwoli w przyszłości na dalsze zmniejszanie rozmiaru układów scalonych. Ponadto daje nadzieję na wykorzystanie w komputerach kwantowych techniki precyzyjnego wzbogacania krzemu pojedynczymi atomami.
Prace australijsko-amerykańskiego zespołu wykazały też, że prawo Ohma ma zastosowanie w skali atomowej. To niesamowite, że Prawo Ohma, prawo tak podstawowe, zostaje zachowane przy budowaniu połączeń elektrycznych z pojedynczych cegiełek natury - stwierdził Bent Weber, jeden z twórców miniaturowych kabli. Badacze podkreślają, że połączenia były tworzone atom po atomie, co znacząco różni się od technik stosowanych we współczesnej elektronice. Obecnie usuwa się nadmiarowy materiał, a to technika trudna, kosztowna i nieprecyzyjna. Gdy schodzi się do wielkości poniżej 20 atomów, mamy do czynienia z takimi różnicami w liczbie atomów, że dalsze skalowanie jest trudne. Ale podczas tego eksperymentu stworzono urządzenie dzięki umieszczaniu pojedynczych atomów fosforu na krzemie i okazało się, że gęsto ułożony przewód o szerokości zaledwie 4 atomów działa tak, jak przewody metalowe - powiedział profesor Gerhard Klimeck z Purdue.
Jak poinformowała profesor Michelle Simmons z University of New South Wales, która kierowała badaniami, głównym celem badań jest rozwój przyszłych komputerów kwantowych, w których pojedyncze atomy są wykorzystywane do przeprowadzania obliczeń.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Szwajcarscy uczeni z École Polytechnique FÉdÉrale de Lausanne (EPFL), którzy na początku bieżącego roku poinformowali o świetnych właściwościach molibdenitu, materiału mogącego stać się konkurencją dla krzemu i grafenu, właśnie zaprezentowali pierwszy układ scalony zbudowany z tego materiału.
Zbudowaliśmy prototyp, umieszczając od dwóch to sześciu tranzystorów i udowadniając, że możliwe jest przeprowadzenie podstawowych operacji logicznych. To dowodzi, że można zbudować większy układ - mówi profesor Andras Kis, dyrektor Laboratorium Nanoskalowych Struktur i Elektroniki (LANES).
Uczony wyjaśnia, że molibdenit umożliwia budowanie mniejszych tranzystorów niż krzem. Obecnie nie można tworzyć warstw krzemu cieńszych niż 2 nanometry, gdyż istnieje ryzyko ich utlenienia się, co negatywnie wpływa na właściwości elektryczne materiału. Z molibdenitu można tworzyć efektywnie działającą warstwę o grubości zaledwie 3 atomów. Jest ona bardzo stabilna i łatwo w niej kontrolować przepływ elektronów. Ponadto molibdenitowe tranzystory są bardziej wydajne. Przełączają się też szybciej niż tranzystory krzemowe.
Jak informuje profesor Kis, molibdenit równie efektywnie jak krzem wzmacnia sygnał elektryczny. Sygnał wyjściowy może być czterokrotnie silniejszy niż sygnał wejściowy. A to oznacza, że możliwe jest produkowanie bardzo złożonych układów. Dla grafenu ta wartość wynosi około 1. Poniżej tej wartości sygnał wyjściowy będzie zbyt słaby, by pobudził do pracy następny, podobny układ - mówi Kis.
Molibdenit, w przeciwieństwie do krzemu, ma interesujące właściwości mechaniczne, które być może pozwolą na produkowanie elastycznych układów scalonych.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Na Northwestern University powstała nowa anoda dla akumulatorów litowo-jonowych. Umożliwia ona przechowywanie 10-krotnie więcej ładunku niż obecne elektrody, a sam akumulator można załadować 10-krotnie szybciej.
Odkryliśmy sposób na dziesięciokrotne wydłużenie życia baterii litowo-jonowej. Nawet po 150 cyklach ładowania/rozładowywania, co zajmie rok lub więcej, nasz akumulator będzie pięciokrotnie bardziej wydajny niż współcześnie stosowane rozwiązania - mówi profesor Harold H. Kung.
Współczesne baterie litowo-jonowe działają dzięki przesyłaniu jonów litu pomiędzy dwoma elektrodami - anodą i katodą. Gdy używamy energii, jony litu przemieszczają się z anody, przez elektrolit, do katody. Gdy ładujemy akumulator, podróż odbywa się w odwrotną stronę.
Obecnie wydajność akumulatorów Li-Ion jest ograniczona dwoma czynnikami. Ich pojemność zależy od tego, jak wiele jonów litu może przechować anoda lub katoda. Z kolei prędkość rozładowywania, a zatem dostarczania energii, zależy od prędkości przemieszczana się jonów pomiędzy elektrolitem a anodą.
We współczesnych akumulatorach anoda wykonana jest z węgla i na każde 6 jego atomów przechowuje jeden atom litu. Eksperymentowano z zastąpieniem węgla krzemem, który ma większą pojemność, gdyż przechowuje atom litu na każde 4 atomy krzemu. Jednak podczas pracy krzem znacznie zmienia swoje rozmiary, co prowadzi do uszkodzenia elektrody i spadku pojemności baterii.
Ponadto poszczególne warstwy węgla w elektrodzie są bardzo cienkie, jednak długie. Podczas procesu ładowania każdy jon musi przebyć całą drogę od krawędzi by dotrzeć do kolejnych warstw. To zajmuje sporo czasu, a ponadto powoduje, że na krawędziach powstaje „korek" z jonów oczekujących na możliwość wyruszenia w drogę.
Zespół Kunga postanowił za jednym zamachem rozwiązać oba problemy. Po pierwsze warstwy krzemu poprzedzielał warstwami węgla. Mamy dzięki temu znacznie większą pojemność energii, gdyż wykorzystaliśmy krzem, a jego poprzedzielanie zmniejszyło straty pojemności spowodowane rozszerzaniem się i kurczeniem krzemu - wyjaśnia Kung. Uczeni wykorzystali też proces utleniania do uzyskania niewielkich (10x20 nanometrów) dziur w warstwach węgla. Dziury te tworzą skróty, dzięki którym jony litu nie muszą podróżować przez całą warstwę. Pozwoliło to na 10-krotne skrócenie czasu ładowania baterii.
Po udoskonaleniu anody uczeni chcą zająć się pracami nad katodą. Mają też zamiar opracować nowy elektrolit, który będzie powodował, że w wysokich temperaturach akumulator automatycznie przerwie pracę, dzięki czemu będzie bezpieczniejszy w użytkowaniu.
Technologia Kunga i jego zespołu powinna trafić na rynek w ciągu 3-5 lat.
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.