КВАНТОВАЯ ИНЖЕНЕРИЯ УЖЕ РЕАЛЬНОСТЬ

В этом году Нобелевская премия по химии была присуждена Алексею Екимову, Луису Брюсу и Мунги Бавенди за работы по синтезу нанометровых полупроводниковых кристаллов, – так называемых квантовых точек. Впервые квантовые точки были синтезированы в 1981 году и с тех пор привлекают большой интерес ученых, в том числе и армянских, поскольку эти исследования дают не только фундаментальные результаты, но и приобретают все большее практическое значение. Сегодня эти структуры стали важной элементарной базой для создания приборов нового поколения.

Уникальность этих объектов заключается в том, что этими атомарными структурами, которые часто называют искусственными атомами, можно управлять, меняя их компонентный состав, размеры и геометрические формы, от которых зависят характеристики этих систем. Квантовый мир очень чувствителен к геометрии.

ЗА ГОДЫ, ПРОШЕДШИЕ ПОСЛЕ ТОГО, КАК КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ БЫЛИ СИНТЕЗИРОВАНЫ ВПЕРВЫЕ, для создания этих структур было разработано и сегодня используется множество разных технологий.

Причем в каждой квантовой точке, в зависимости от поставленной практической задачи, ее конкретного применения, электронные оболочки заполняются по-разному. Так, например, в близких к естественным атомам сферических системах возникают свои аналоги тех законов заполнения оболочек, которые действуют в обычной атомной физике, в физике реальных атомов. Получается, что создается новый мир. Массивы квантовых точек могут образовать искусственную решетку. Они могут быть связаны друг с другом, и в этих системах могут возникать интересные коллективные эффекты. В то же время внутрь этой квантовой точки можно имплантировать определенное количество частиц, например, электронов, и они будут проявлять определенные статистические свойства. Таким образом возникает целое поле абсолютно новых задач, требующих глубокого анализа, дальнейшего приложения в технологиях и, соответственно, в новых приборах.

 При уменьшении размера полупроводника до нанометрового диапазона роль поверхности материала резко возрастает. Важную роль начинают играть квантовые эффекты, возникают совершенно новые свойства, которые можно получить в зависимости от поставленной задачи. И классическая физика уже не в состоянии описать такие системы.

Сегодня стало возможным синтезировать структуры с заданными характеристиками, то есть с управляемыми свойствами. Иначе говоря, возникла уникальная ситуация, когда наряду с реальными атомами, в которых спектр частиц полностью дискетный, в квантовых точках, задавая определенные параметры роста, можно искусственно создать те спектральные характеристики, которые необходимы конкретному прибору. Например, если в данном случае необходим коротковолновый диапазон, то есть чтобы излучение кристалла было ближе к синему, размеры квантовых точек уменьшаются, и технологи синтезируют кристалл под те или иные задачи. Они получают соответствующую структуру, которая используется в конкретном приборе, что очень важно. И, как уже было сказано, эти возможности квантовых точек находят широкое практическое применение. В первую очередь это светодиоды нового поколения, различные чувствительные полупроводниковые датчики. Например, эти возможности нашли конкретное  практическое применение при создании экранов телевизоров, поскольку массивы квантовых точек представляют собой излучающие яркие и ясные элементы, что обеспечивает высокое качество изображения.

- ХОЧУ ОБРАТИТЬ ВНИМАНИЕ НА ОДИН ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ, - говорит доктор физико-математических наук, профессор Айк САРКИСЯН. -  В 1959 году на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте выдающийся американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман, выступил с чрезвычайно интересной лекцией, которая называлась «Внизу много места: приглашение войти в новую область физики». В этой лекции Фейнман говорил о возможностях манипулирования отдельными атомами, как перспективной области синтетической химии и высказал уверенность в том, что придет время, когда люди смогут на уровне атомных решеток конструировать необходимые структуры. А это значит, что возникнет атомно-молекулярная архитектура, благодаря которой человек будет выращивать структуры на квантовом уровне. Прогнозы Фейнмана оказались пророческими, они полностью оправдались. Сегодня квантовая инженерия стала реальностью. Люди научились выращивать квантовые точки, которые находят широкое применение в оптоэлектронных приборах. Причем сами эти приборы - не наноразмерные, но они основаны на наноструктурах.

Исследованиями этих структур занимаются и в Армении. Эти работы начались вскоре после того, как впервые были синтезированы квантовые точки и уже в середине 80-х годов прошлого века научная группа, которую создал академик Эдуард Казарян, начала активно проводить теоретические исследования этого направления, а в 1985 году была опубликована статья по фононному поглощению света квантовыми точками. Тогда эти исследования только начинались. Проводимые в дальнейшем исследования подтвердили, что нанокристаллы обладают уникальными оптическими свойствами, что создает серьезные перспективы их использования, например, в солнечной энергетике. 

Созданная академиком Казаряном научная школа, которую он возглавляет и сегодня, продолжает активно работать. Уже в течение 20 лет мы занимаемся оптикой квантовых точек, вопросами, связанными с кулоновскими комплексами в этих структурах, многочастичными системами и спиновыми свойствами квантовых точек. Для проведения прикладных исследований этого направления необходима дорогостоящая аппаратура, которой у нас, к сожалению, нет. Но именно теоретические исследования способствуют пониманию процессов, происходящих в квантовых точках, и являются той фундаментальной основой, на которой развивается прикладная наука, - сказал профессор Айк Саркисян.