Квантовые точки — области применения

Анатолий Белов

   

Квантовые точки — QLED и не только

Квантовые точки. часть 2 0

Содержание

Области применения квантовых точек

1. Видеомониторы и телевизионные системы
2. Дисплеи на квантовых точках
3. Лазер на квантовых точках
4. Квантовые точки в энергетике
5. Одноэлектронные транзисторы
6. Материалы для светодиодов
7. Квантовые точки в квантовых компьютерах
8. Квантовые точки в искусственном интеллекте
9. Защита документов в полиграфии
10. Маркер в медицинских и биологических исследованиях

Что у нас?

• Плазмонный резонанс
• Квантовые точки и нанофотоника
• Перспективы технологий на основе квантовых точек

Источники публикации и литература по теме

До недавнего времени широкое промышленное применение квантовых точек оставалось теорией, но в последние годы ситуация поменялась: коммерческий рынок продукции с использованием этих наночастиц — как экспериментальных образцов, так и массовых изделий — стремительно растет, а ученые открывают всё новые и новые практические приложения КТ-технологии.

Квантовая точка представляет собой фрагмент проводника или полупроводника (например, CdTe, CdS, CdSe, ZnSe, ZnS и др.), носители заряда которого ограничены в пространстве по всем трем направлениям. Квантовыми их назвали потому, что при столь малых размерах в них проявляются квантовые, то есть, дискретные, свойства электронов

Физические свойства кристаллов сверхмалых размеров могут принципиально отличаться от массивных кристаллов, например вещество с металлическими свойствами только за счет уменьшения размеров может перейти в диэлектрическое состояние. Уменьшение размеров частиц приводит к увеличению ширины запрещённой зоны. Следовательно, существует возможность варьировать длину волны эмиссии.


Области применения квантовых точек

Зависимость энергетического спектра от размера наночастиц дает огромный потенциал для практического применения КТ: в оптоэлектронных системах, таких как светоизлучающие диоды и плоские светоизлучающие панели, лазеры, ячейки солнечных батарей и фотоэлектрических преобразователей, фотоприемники, биологические маркеры — везде, где требуются варьируемые, перестраиваемые по длине волны оптические свойства. [1]

Квантово-размерные эффекты играют ключевую роль в оптоэлектронных свойствах квантовых точек. Энергетический спектр квантовой точки принципиально отличается от объемного полупроводника. Электрон в нанокристалле ведет себя как в трехмерной потенциальной яме.

Этот эффект связан с квантованием энергии носителей заряда, движение которых ограничено в одном, двух или трёх направлениях. При ограничении бесконечного кристалла потенциальными барьерами или при создании границ возникают дискретные уровни квантования. Величина энергии, необходимая для возбуждения электронно-дырочных пар, определяется радиусом экситона Бора, который зависит от силы Кулоновского взаимодействия между электроном e и дыркой p.

При переходе к наноразмерным частицам материала, сам размер наночастиц начинает влиять на конфигурацию электронно-дырочных пар. Получается, что в этом случае энергетический спектр системы непосредственно определяется размером частицы. Используя этот эффект, можно регулировать ширину запрещенной зоны непосредственно варьированием размера частиц.

Флуоресцентные диапазоны коллоидных квантовых точек различных материалов представлены на рис. 3.

Рис. 3

Рис. 3 — Флуоресцентные диапазоны коллоидных квантовых точек различных материалов. [2]

Яркость свечения нанокристаллов оказывается столь высокой, что становится возможным детектировать их как единичные объекты с помощью флуоресцентного микроскопа.

Из многочисленных литературных данных известно, что наибольшей интенсивностью свечения и самым узким пиком флуоресценции обладают квантовые точки CdSe с эмиссией около 625 нм – размер около 6 нм, что сопоставимо с размером экситона Бора для полупроводника CdSe.

То есть, размеры квантовой точки будут влиять на ее энергетический спектр.

Аналогично переходу между уровнями энергии в атоме, при переходе носителей заряда между энергетическими уровнями в квантовой точке может излучаться или поглощаться фотон. Частотами переходов, т.е. длиной волны поглощения или люминесценции, легко управлять, меняя размеры квантовой точки (рис. 4). Поэтому квантовые точки иногда называют «искусственными атомами».

Рис. 4

Рис. 4 — Зависимость изменения длины волны поглощения (люминесценции) от размера квантовой точки. [2]

Отличительной характеристикой квантовых точек является их высочайшая по сравнению с органическими флуорофорами фотостабильность. Они не выцветают в течение нескольких часов и даже дней, в то время как характерные времена фотообесцвечивания обычных люминофоров ограничены единицами минут.

Основным физическим недостатком квантовых точек является мерцание флуоресценции. Мерцание является стохастическим процессом, обусловленным временным переходом квантовой точки в заряженное состояние, и периоды отсутствия флуоресценции для одиночной квантовой точки могут достигать нескольких секунд.

Мерцание может быть уменьшено за счет модификации квантовых точек. Однако полностью избавиться от мерцания квантовых точек в настоящее время до сих пор не удалось.

Есть еще одно принципиальное свойство, отличающее коллоидные квантовые точки от традиционных полупроводниковых материалов – возможность существования в виде растворов, или точнее в виде золей. Это свойство обеспечивает широту возможностей манипулирования такими объектами и делает их привлекательными для технологий. [2]

1. Видеомониторы и телевизионные системы

Наиболее масштабно, с большим объемом продукции (видеомониторы различного назначения и телевизионные системы) внедряет коллоидные квантовые точки фирма Samsung. В качестве первого шага в таких системах традиционные люминофоры заменили коллоидными квантовыми точками, превосходящими предшественников по яркости флуоресценции и фотостабильности.

На сайте Samsung уже сейчас можно приобрести телевизоры серии QLED. «Революционная технология квантовых точек, используемая в телевизорах QLED, преобразует свет в поразительно насыщенные цвета», — утверждает производитель и гарантирует покупателю 100-процентный цветовой объем, четкий контраст в любое время суток, долгий срок службы и защиту от выгорания. Правда, стоит это удовольствие недешево: от 250 000 до 500 000 рублей (в ценах 2018 г. — прим. SNEG). Цена, скорее всего, упадет после начала массового производства в Китае для потребителей с более скромным доходом. [1]

2. Дисплеи на квантовых точках

QLED – технология создания дисплеев LCD со светодиодной подсветкой на квантовых точках уже опробована передовыми производителями электроники. Применение этой технологии позволяет сократить энергопотребление дисплея, увеличить световой поток по сравнению с LED экранами на 25-30%, более сочные цвета, четкая цветопередача, глубина цвета, возможность делать экраны сверхтонкими и гибкими.

Что такое Quantum Dot?

Полное название технологии Quantum Dot Enhancement Film – именно так обозначается использование квантовых точек в телевизорах. В рамках этой технологии используется светодиод синего цвета, а квантовые точки выполняют функции светофильтра, обеспечивая трансляцию зелёного, красного цвета.

Квантовая точка является полупроводником. Это микроскопический кристалл, который питается от синего светодиода. Телевизоры, созданные по данной технологии, маркируются QLED. Размеры квантовой точки напрямую зависят от того, какой цвет будет транслироваться.

Квантовые точки в дисплеях PhilipsПрототип первого дисплея, по этой технологии был представлен компанией Samsung в феврале 2011, а первый компьютерный дисплей выпустила компания Philips.

В нем квантовые точки использованы для получения красного и зеленого цветов из спектра излучения синих светодиодов, что обеспечило близкую к естественной цветопередачу. В 2013 году компания Sony выпустила QLED экран, работающий по такому же принципу. В текущий момент эта технология производства больших экранов не имеет широкого применения из-за высокой себестоимости производства. [3]

Рис. 5 QLED

Рис. 5. Технология Quantum dot LED существенно повышает качество изображения, не влияя при этом на конечную стоимость устройств, (в теории). [5]

Обычные жидкокристаллические телевизоры могут охватывать лишь 20–30% цветового диапазона, который способен воспринимать человеческий глаз. Изображение на OLED-экране обладает большой реалистичностью, но данная технология не ориентирована на массовое производство больших диагоналей дисплеев. Кто следит за рынком телевизоров, помнит, что еще в начале 2013 года Sony представила первый телевизор на основе квантовых точек (Quantum dot LED, QLED). Крупные производители телевизоров выпустят модели телевизоров на квантовых точках в 2015 году, Samsung их уже представил в России под названием SUHD, но об этом далее. Давайте узнаем, чем отличаются дисплеи, произведенные по QLED технологии, от уже привычных ЖК-телевизоров. [5]

2.1. В ЖК-телевизорах отсутствуют чистые цвета

Квантовые точки. Рис. 6. Принцип получения изображения в ЖК-мониторах

Рис. 6. Принцип получения изображения в ЖК-мониторах (LED) и QLED [5]

Ведь жидкокристаллические дисплеи состоят из 5 слоев: источником является белый свет, излучаемый светодиодами, который проходит через несколько поляризационных фильтров. Фильтры, расположенные спереди и сзади, в совокупности с жидкими кристаллами управляют проходящим световым потоком, понижая или повышая его яркость. Это происходит благодаря транзисторам пикселей, влияющие на количество света, проходимое через светофильтры (красный, зеленый, синий).

Сформированный цвет этих трех субпикселей, на которые наложены фильтры, дает определенное цветовое значение пикселя. Смешение цветов происходит довольно «гладко», но получить таким образом чистый красный, зеленый или синий попросту невозможно. Камнем преткновения выступают фильтры, которые пропускают не одну волну определенной длины, а целый ряд различных по длине волн. К примеру, через красный светофильтр проходит также оранжевый свет.

Светодиод излучает свет при подаче на него напряжения. Благодаря этому электроны (e) переходят из материала N-типа в материал P-типа. Материал N-типа содержит атомы с избыточным количеством электронов. В материале P-типа присутствуют атомы, которым не хватает электронов. При попадании в последний избыточных электронов они отдают энергию в виде света. В обычном полупроводниковом кристалле это, как правило, белый свет, образуемый множеством волн различной длины. Причина этого заключается в том, что электроны могут находиться на различных энергетических уровнях. В результате полученные фотоны (P) имеют различную энергию, что выражается в различной длине волн излучения. [5]

2.2. Стабилизация света квантовыми точками

В телевизорах QLED в качестве источника света выступают квантовые точки — это кристаллы размером лишь несколько нанометров. При этом необходимость в слое со светофильтрами отпадает, поскольку при подаче на них напряжения кристаллы излучают свет всегда с четко определенной длиной волны, а значит, и цветовым значением. Данный эффект достигается мизерными размерами квантовой точки, в которой электрон, как и в атоме, способен передвигаться лишь в ограниченном пространстве.

Рис. 7

Рис. 7

Как и в атоме, электрон квантовой точки может занимать только строго определенные энергетические уровни. Благодаря тому что эти энергетические уровни зависят в том числе и от материала, появляется возможность целенаправленной настройки оптических свойств квантовых точек. К примеру, для получения красного цвета используют кристаллы из сплава кадмия, цинка и селена (CdZnSe), размеры которых составляют около 10–12 нм. Сплав кадмия и селена подходит для желтого, зеленого и синего цветов, последний можно также получить при использовании нанокристаллов из соединения цинка и серы размером 2–3 нм.

Массовое производство синих кристаллов очень сложное и затратное, поэтому представленный в 2013 году компанией Sony телевизор не является «породистым» QLED-телевизором на основе квантовых точек. В задней части производимых их дисплеев располагается слой синих светодиодов, свет которых проходит через слой красных и зеленых нанокристаллов. В результате они, по сути, заменяют распространенные в настоящее время светофильтры. Благодаря этому цветовой охват в сравнении с обычными ЖК-телевизорами увеличивается на 50%, однако не дотягивает до уровня «чистого» QLED-экрана. Последние помимо более широкого цветового охвата обладают еще одним преимуществом: они позволяют экономить энергию, так как необходимость в слое со светофильтрами отпадает. Благодаря этому передняя часть экрана в QLED-телевизорах еще и получает больше света, чем в обычных телевизорах, которые пропускают лишь около 5% светового потока. [4]

Квантовые точки - телевизор изготовленный по технологии квантовых точек2.3. QLED телевизор с дисплеем на основе технологии квантовых точек от Samsung

Компания Samsung Electronics в 2015 г. представила в России премиальные телевизоры, изготовленные по технологии квантовых точек.

Новинки с разрешением 3840 × 2160 пикселей оказались не из дешёвых, а флагманская модель вовсе оценена в 2 млн рублей. [5]

2.4.Нововведения в телевизорах на квантовых точках

Изогнутые телевизоры Samsung SUHD на квантовых точках отличаются от распространённых ЖК-моделей более высокими характеристиками цветопередачи, контрастности и энергопотребления.

Интегрированный процессор обработки изображения SUHD Remastering Engine позволяет масштабировать видеоконтент низкого разрешения в 4K. Помимо этого, новые телевизоры получили функции интеллектуальной подсветки Peak Illuminator и Precision Black, технологии Nano Crystal Color (улучшает насыщенность и естественность цветов), UHD Dimming (обеспечивает оптимальный контраст) и Auto Depth Enhancer (автоматическая настройка контрастности для определённых областей картинки). В программной основе телевизоров лежит операционная система Tizen  с обновлённой платформой Samsung Smart TV.

Цены (2015 г.). Семейство Samsung SUHD TV было представлено в трёх сериях (JS9500, JS9000 и JS8500), где стоимость начиналась со 130 тыс. рублей. Во столько российским покупателям обходилась 48-дюймовая модель UE48JS8500TXRU. Максимальная цена на телевизор с квантовыми точками достигала 2 млн рублей — за модель UE88JS9500TXRU с 88-дюймовым изогнутым дисплеем.

Телевизоры нового поколения по технологии QLED выпустили южнокорейские Samsung Electronics и LG Electronics, китайские TCL и Hisense, а также японская Sony. Последняя выпустила LCD-телевизоры, изготовленные по технологии квантовых точек, о чем упоминалось в описании технологии Quantum dot LED. [5]

3. Лазер на квантовых точках

Структуры с квантовыми точками перспективны для создания полупроводниковых лазеров. Возможность варьирования длины волны люминесценции принципиальное преимущество для создания новых лазерных сред. В существующих лазерах длина волны люминесценции является фундаментальной характеристикой среды и возможности ее варьирования ограничены (лазеры с перестраиваемой длиной волны используют свойства резонаторов и более сложные эффекты). Другое преимущество квантовых точек – высокая фотостойкость по сравнению с органическими красителями. Квантовые точки демонстрируют поведение неорганических систем.

Основной трудностью является малое время жизни возбужденного состояния в квантовых точках и побочный процесс оже-рекомбинации, что требует высокой интенсивности накачки. На настоящий момент наблюдался как процесс вынужденной генерации, так и создан прототип тонкопленочного лазера при использовании подложки с дифракционной решеткой.

Рис. 8. Схема лазера на квантовых точках

Рис. 8. Схема лазера на квантовых точках. [2]

Электрон в квантовой точке переходит с одного уровня в зоне проводимости на другой в валентной зоне с испусканием фотона с энергией , равной разности энергий уровней размерного квантования. Если в структуре с множеством одинаковых квантовых точек инициировать согласованные переходы электронов, то возникает лазерное излучение. Электроны на уровни обычно попадают при пропускании тока через структуру. Поскольку понижение размерности кристалла уменьшает ширину зон размерного квантования, в квантовой точке существуют только дискретные уровни энергии, как в атоме, это ведет к более узким оптическим спектрам. В структурах полупроводниковых квантовых точек происходит понижение порогового тока лазерной генерации, возможны большие скорости модуляции излучения. Уже получена лазерная генерация от структур с квантовыми точками. Перед учеными сейчас стоит технологическая задача уменьшить разброс размеров квантовых точек при росте структур. [2, с. 24]

Лазер, рабочей средой которого являются квантовые точки в излучающей области, имеет ряд преимуществ в сравнении с традиционными полупроводниковыми лазерами на основе квантовых ям. У них лучше характеристики по полосе частот, интенсивности шума, они менее чувствительны к изменениям температуры.

Благодаря тому, что изменение состава и размера квантовой точки позволяет управлять активной средой такого лазера, стала возможна работа на длинах волн, которые раньше были недоступны. Эта технология активно применяется на практике в медицине, с ее помощью был создан лазерный скальпель. [3]

4. Квантовые точки в энергетике

Коллоидные КТ можно применять и в солнечных батареях в качестве преобразователя солнечной энергии в постоянный электрический ток. Использование квантовых точек в многослойных солнечных батареях позволяет добиться эффективного поглощения сразу нескольких различных частей спектра солнечного излучения. [1]

На основе квантовых точек также разработаны несколько моделей тонкопленочных солнечных батарей. В их основе лежит следующий принцип действия: фотоны света попадают на фотоэлектрический материал, содержащий квантовые точки, стимулируют появление пары электрона и дырки, энергия которых равна или превосходит минимальную энергию, необходимую электрону данного полупроводника для того, чтобы перейти из связанного состояния в свободное. Изменяя размеры нанокристаллов материала можно варьировать «энергетическую производительность» фотоэлектрического материала.

Квантовые точки в солнечной краскеНа основе этого принципа уже создано несколько оригинальных работающих прототипов различных видов солнечных батарей.

В 2011 г. исследователи из университета Нотр-Дама предложили «солнечную краску» на основе диоксида титана, нанесение которой может превратить любой объект в солнечную батарею. У нее довольно низкое КПД (всего 1%), но зато она дешева в производстве и может производиться в больших объемах.

В 2014 г. Ученые из Массачусетского технологического института представили метод изготовления солнечных элементов из ультратонких слоёв квантовых точек, КПД их разработки – 9%, а главное ноу-хау заключается в технологии объединения квантовых точек в пленку.

Квантовые точки на пленке

Квантовые точки на пленке

окна-солнечные батареиВ 2015 г. Лаборатория Центра передовых технологий солнечной фотовольтаики в Лос-Аламосе предложила свой проект окон-солнечных батарей с КПД 3,2%, состоящих из прозрачного люминесцентного квантового концентратора, который может занимать достаточно большую площадь, и компактных солнечных фотоэлементов.

А вот исследователи из американской национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в поисках оптимального сочетания металлов для производства ячейки с максимальной квантовой эффективностью создали настоящего рекордсмена производительности – внутренняя и внешняя квантовая эффективность их батареи на тестах составила 114% и 130% соответственно. [3]

квантовые точки и NRELЭти параметры не являются КПД батареи, которая сейчас показывает сравнительно небольшой процент – всего 4,5%, однако оптимизация сбора фотопотока и не являлась ключевой целью исследования, которая заключалась только в подборе наиболее эффективного сочетания элементов. Тем не менее стоит отметить, что до эксперимента NREL ни одна батарея не показывала квантовую эффективность выше 100%.

5. Одноэлектронные транзисторы

Возьмем для определенности сферический нанокристалл. Поместим его в среду с диэлектрической проницаемостью ε. Его емкость будет: С = εR, а потенциал: U = q/C где q – электрический заряд.

Для нанокристалла диаметром R в несколько нанометров величина емкости составляет примерно 10−18 Ф. Если поместить в него один электрон (заряд 1,6 ⋅ 10−19 Кл), то его потенциал изменится на ∼0,1 В и увеличивается пропорционально 1/R. Этого потенциала вполне достаточно, чтобы воспрепятствовать движению других электронов.

Рис. 9 - Схема одноэлектронного транзистора с нанонкристаллом

Рис. 9 — Схема одноэлектронного транзистора с нанонкристаллом в качестве активного элемента.[2]

Схематическое изображение транзистора с нанокристаллом CdSe в качестве активного элемента приведено на рисунке 9. Обычно на приготовленную структуру осаждаются нанокристаллы, и один из них становится активным элементом, как показано на рисунке 9. Прибор изготовляется на кремниевой подложке, на которую можно подать напряжение Vg для изменения положения уровня энергии в нанокристалле. Подложка отделена слоем окиси кремния SiO2 от золотых электродов, на которые высажены нанокристаллы. Один из нанокристаллов замыкает электроды. Сопротивление такого прибора обычно составляет около 10 МОм.

На структуре с одиночной квантовой точкой хорошо демонстрируются экспериментально атомные свойства квантовых точек. Если приложить небольшое (несколько милливольт) напряжение V между электродами, то при определенном напряжении Vg электрон может попасть в нанокристалл. Электрон будет попадать на уровень в квантовой точке, если его энергия совпадет с энергией уровня. Число электронов в квантовой точке можно изменять по одному. При этом наблюдается всплеск тока, составляющий 10−12 А. При изменении Vg далее опять произойдет всплеск тока. Количество таких всплесков зависит от числа уровней размерного квантования и в принципе определяется размерами нанокристалла.

Описанный здесь прибор пока хорошо работает только при очень низких температурах. Появились уже сообщения о создании одноэлектронной памяти, работающей при комнатной температуре. Прибор основан на транзисторе, в котором один электрон, захватываемый в нанокристалл, приводит к запиранию проводимости узкого канала транзистора. [2, с. 25]

6. Материалы для светодиодов

Возможность варьирования длины волны люминесценции и легкость создания тонких слоев на основе квантовых точек представляют большие возможности для создания светоизлучающих устройств с электрическим возбуждением – светодиодов.

Рис. 10 Светодиоды на основе квантовых точек

Рис. 10 Светодиоды на основе квантовых точек. [2]

Для создания светоизлучающего диода монослой квантовых точек помещается между слоями, имеющими проводимость р- и n- типов. В этом качестве могут выступать проводящие полимерные материалы, которые легко могут быть сопряжены с квантовыми точками.

Говоря о светодиодах, нельзя не упомянуть о “белых” светодиодах, которые могут стать альтернативой стандартным лампам накаливания. Квантовые точки могут быть использованы для светокорректировки полупроводниковх светодиодов. В таких системах используется оптическая накачка слоя, содержащего квантовые точки, при помощи полупроводникового синего светодиода. Преимуществом квантовых точек в данном случае являются высокий квантовый выход, большая фотостойкость, и возможность составлять многокомпонентый набор из квантовый точек с различными длинами эмиссии, чтобы получить более близкий к “белому” спектр излучения. [2, с. 27]

Квантовый компьютер

7. Квантовые точки в квантовых компьютерах

Также КТ — один из главных кандидатов для представления кубитов в квантовых вычислениях. Интерес к квантовым компьютерам обусловлен как видимыми в недалеком будущем пределами возможностей современных компьютеров, так и совершенно иными принципами работы, основанными на быстрой параллельной обработке информации.

Разработка различных практических подходов к созданию квантового компьютера вызывает повышенный интерес у мирового научного сообщества. Возможности создания логических элементов на основе КТ для квантовых вычислений просматриваются только для эпитаксиальных технологий: так, ученые ИФП СО РАН предложили и реализовали метод проведения однокубитовых и двухкубитовых операций в системе двух обменно-связанных электронов, опираясь на спиновые свойства КТ (эти результаты специалисты представили на прошедшей в Новосибирске международной конференции «Спиновая физика, спиновая химия, спиновая технология»). [1]

Возрос интерес к квантовым точкам в качестве элементной базы наноэлектроники, для мало- и одноэлектронных транзисторов, элементов памяти, в том числе с возможностью иерархического доступа, кубитов и логических вентилей.

Алгоритм ГровераИдеи квантовой механики входят в теорию вычислительных систем двумя путями.

Во-первых, квантовые вычислительные алгоритмы, благодаря заложенному в них параллелизму, основанному на суперпозиции квантовых состояний, могут решать классические неполиномиальные задачи за полиномиальное время.

Во-вторых, миниатюризация элементной базы компьютеров приводит к необходимости учета конечной, но отличной от единицы, вероятности перехода отдельных битов между состояниями «0» и «1» и конечной вероятности влияния этих переходов на состояние соседних битов.

Кандидатом на роль квантовой ячейки памяти в наноэлектронных устройствах, стабильной на практически значимых временах миллисекундного порядка, может быть кубит на основе электронных состояний квантовой точки. Основное состояние спина электрона в изолированной КТ может быть надежно приготовлено с помощью оптической накачки, или же с помощью тепловой релаксации в магнитном поле. Время декогеренции спина в КТ имеет порядок микросекунд, и спиновый кубит на основе КТ является перспективным элементом хранения и обработки квантовой информации.

В реальных вычислительных устройствах и устройствах квантовой памяти необходимо манипулировать не с отдельным кубитом, а с регистром из кубитов. Такие регистры могут быть построены, например, в виде массива КТ, отделенных друг от друга расстоянием, меньшим оптической длины волны. Непосредственная адресация к отдельному кубиту в таком массиве меняет состояние других кубитов и приводит к декогеренции. Однако возможно применить (Altaisky, Kaputkina IJQI 10, (2012), 1250026; arxiv.org:1105.1464) алгоритм иерархической записи информации в блоки из кубитов, реализованных на основе КТ, не использующий адресации к отдельным кубитам, а изменяющий состояние регистра как целого.

Алгоритм ШораДостоинствами КТ в качестве элементной базы наноэлектроники являются миниатюрность, возможности контроля уровней энергии, заряда и формы КТ, масштабируемость (наличие технологии, позволяющей собирать КТ в массивы), — а также возможность оптического приготовления/измерения состояний отдельных КТ.

Недостатком КТ в качестве элементов сетевого квантового компьютера является неизбежность взаимодействия с фононами гетероструктуры, на которой реализованы КТ, и, как следствие, небольшие времена декогеренции. По этой причине известные алгоритмы сетевого квантового компьютинга — факторизация (разложение на простые множители) по Шору и поиск в неупорядоченной базе данных по Гроверу — пока реализованы на других квантовых системах — ионах в ловушках и системах с ядерным магнитным резонансом. Эти системы, в отличие от КТ, позволяют добиться почти полной изоляции от окружения, но требуют больших затрат и не являются масштабируемыми.

Ситуация качественно изменилась примерно с 2011 года, когда компания D-wave Systems Inc. выпустила на рынок первые адиабатические квантовые компьютеры D-wave 1 («Rainer») на 128 кубит и D-wave 2 («Vesuvius») на 512 кубит (Johnson et al. Nature 473, (2011), 194).

Отличие адиабатического компьютера от сетевого компьютера состоит в том, что ключевым его элементом является не унитарная эволюция начального состояния системы кубитов через систему квантовых гейтов к конечному состоянию (решению задачи), а процесс квантового туннелирования из приготовленного начального состояния в состояние, реализующее минимум энергии некоторого гамильтониана.

Фактически было реализовано квантовое решение задачи поиска минимума квадратичной формы. К данному типу относится огромный класс задач в теории автоматического управления, экономике, распознавании образов. Их решение на квантовом адиабатическом компьютере может быть получено за полиномиальное время, в то время как на обычных компьютерах требуется экспоненциальное. При этом использование процесса квантового туннелирования не накладывает жестких ограничений на взаимодействие с окружением и по сути позволяет проводить вычисления в открытой квантовой системе. [4, с. 35]

8. Квантовые точки в искусственном интеллекте

Квантовые нейронные сети привлекли к себе внимание, когда Google и NASA анонсировали использование процессоров D-wave Systems Inc. для задач искусственного интеллекта и классификации больших данных, с огромным финансированием соответствующих проектов. Создание квантовых систем искусственного интеллекта, безусловно, является приоритетным направлением исследований для любой индустриально развитой державы. По сути, такой интеллект должен заменить человека при принятии решений в многофакторных оптимизационных задачах, с которыми обычные компьютеры не могут справиться в силу экспоненциальных затрат времени. Прежде всего это относится к задачам автономного управления летательными аппаратами, задачам медицинской диагностики, управлению сложными техническими системами.

Квантовые точки могут оказаться полезными при создании квантовых нейронных сетей. Использование молекул квантовых точек на основе GaAs для построения квантовой нейронной сети было впервые предложено Элизабет Берман с соавторами в 2001 г. Данная идея в ее оригинальной форме, предполагавшей использование фононов подложки для управления сетью, практически нереализуема из-за сложностей, связанных с управлением спектром фононов и с его нестабильностью. Нами разрабатывается методика построения квантовой нейронной сети на основе квантовых точек с диполь-дипольным взаимодействием (Алтайский, Капуткина, Крылов ЭЧАЯ 45, (2014), 1824) и проводятся численные расчеты перепутывания состояний в такой системе при ненулевых температурах. [4, с. 35]

9. Защита документов в полиграфии

Защита документов и изделий от фальсификации: ценных бумаг, банкнот, удостоверений личности, штампов, печатей, сертификатов, свидетельств, пластиковых карт, товарных знаков. Система многоцветного кодирования на основе квантовых точек может быть коммерчески востребована для цветовой маркировки продукции в пищевой, фармацевтической, химической промышленности, ювелирных изделий, произведений искусства.

Защита документов и изделий от фальсификации

Благодаря тому, что жидкая основа может быть водной или уф-отверждаемой, при помощи чернил с квантовыми точками можно маркировать практически любые объекты – для бумажных и других впитывающих основ — чернила на водной основе, а для невпитывающих (стекло, дерево, металл, синтетические полимеры, композиты) – уф-чернила.

квантовые точки IQDEMYПотенциально сферы практического применения квантовых точек широки и разнообразны, теоретические разработки ведутся сразу в нескольких направлениях. Массовому внедрению их в различных сферах препятствует ряд ограничений: дороговизна производства самих точек, их токсичность, несовершенство и экономическая нецелесообразность самой технологии производства.

В самом ближайшем будущем массовое распространение может получить система цветового кодирования и маркировки чернилами на основе квантовых точек. Понимая, что эта рыночная ниша пока не занята, но является перспективной и наукоемкой, компания IQDEMY в качестве одной из научно-исследовательских задач своей химической лаборатории (Новосибирск) определила разработку оптимальной рецептуры уф-отверждаемых чернил и чернил на водной основе, содержащие квантовые точки.

Первые полученные образцы печати впечатляют и открывают дальнейшие перспективы практического освоения этой технологии. [3]

образцы печати

10. Маркер в медицинских и биологических исследованиях

Благодаря тому, что на поверхность квантовых точек можно нанести биологические маркеры, фрагменты ДНК и РНК, реагирующие на определенный тип клеток, их можно использовать в качестве контраста в биологических исследованиях и диагностике рака на ранних стадиях, когда опухоль еще не определяется стандартными методами диагностики.

Использование квантовых точек в качестве флуоресцентных меток для изучения опухолевых клеток invitro – одна из наиболее перспективных и быстро развивающихся сфер применения квантовых точек в биомедицине.

флуоресцентные метки

Массовому внедрению этой технологии препятствует только лишь вопрос о безопасности применения контрастов с квантовыми точками в исследованиях invivo, так как большая часть из них производится из очень токсичных материалов, а размеры настолько малы, что они с легкостью проникают через любые барьеры организма. [3]

Создание флуоресцентных меток на основе квантовых точек является весьма перспективным. Можно выделить следующие преимущества квантовых точек перед органическими красителями: возможность контроля длины волны люминесценции, высокий коэффициент экстинкции, растворимость в широком диапазоне растворителей, стабильность люминесценции к действию окружающей среду, высокая фотостабильность. Также можно отметить возможность химической (или более того биологической) модификации поверхности квантовых точек, позволяющей осуществить селективное связывание с биологическими объектами.

На правом рисунке показано окрашивание элементов клетки при помощи водорастворимых квантовых точек, люминесцирующих в видимо диапазоне. На левом рисунке 11 представлен пример использования неразрушающего метода оптической томографии. Фотография получена в ближнем ИК-диапазоне при использовании квантовых точек с люминесценцией в диапазоне 800-900 нм (окно прозрачности крови теплокровных), введенных в мышь. [2, с. 28]

Рис. 11. Биометки

Рис. 11. Биометки с использованием квантовых точек. [2]

Что у нас?

Ученые из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН провели исследования гетероструктур Ge/Si с КТ, которые позволили им обнаружить эффекты усиления люминесценции/поглощения излучения в ансамбле КТ при управлении полем упругих деформаций (то есть деформаций, исчезающих после прекращения действий на тело внешних сил, при этом тело принимает первоначальные размеры и форму. — Прим. ред. «Науки в Сибири»).

Наиболее яркий эффект усиления поглощения излучения был достигнут при использовании явления плазмонного резонанса: это более чем на порядок повысило чувствительность ИК-фотоприемников. [1]

Плазмонный резонанс

Плазмонный резонанс — это возбуждение поверхностного плазмона (квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа) на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной. Явление поверхностного плазмонного резонанса используют при создании химических и биосенсоров: контактируя с различными биообъектами, например вирусами, ДНК, антителами, плазмонные эффекты более чем на порядок увеличивают интенсивность сигналов флуоресценции, а значит, увеличивается и возможность обнаружить, идентифицировать и диагностировать эти биологические объекты.

В других материалах безизлучательный перенос энергии через состояния локализованного плазмона ученые обнаружили в ансамбле квантовых точек на основе InAs/GaAs (арсенида индия и галлия). Вследствие сильного экситон-плазмонного взаимодействия в гибридных структурах с КТ InAs/AlGaAs наблюдалось увеличение сигнала фотолюминесценции.

Квантовые точки и нанофотоника

На основе КТ InAs/GaAs в ИФП СО РАН разработаны однофотонные излучатели, составляющие основу линий связи, способных обеспечить полную секретность передачи данных. Разработки на основе КТ Ge/Si высокоэффективных фотоприемников и излучателей света ИК-диапазона, оптических модуляторов, полевых транзисторов, а также пассивных элементов наносхем связываются с развитием технологий кремниевой нанофотоники для будущих систем передачи данных. [1]

Перспективы технологий на основе квантовых точек

Эпитаксиальные технологии являются базовыми для развития кремниевой полупроводниковой электроники, используемой в информационно-вычислительных и управляющих системах, системах связи, цифровом телевидении, силовой электронике.

Основной тренд развития кремниевой микроэлектроники связан с постоянным (каждые два года) обновлением технологии создания микросхем (так называемый закон Мура), при котором происходит уменьшение характерного размера входящих в них элементов (транзисторов). Это необходимо для увеличения основных важных для потребителя параметров: быстродействия (рабочей частоты) и объема памяти.

Фото с сайта sbras.info

Фото с сайта sbras.info [1]

При таком развитии электроники количество транзисторов в микросхеме увеличилось к настоящему времени до нескольких миллиардов, и остро встала проблема ограничения быстродействия микросхем из-за сопротивления металлической связи входящих в нее элементов: длина металлических межсоединений между транзисторами возросла до десятков километров (если умозрительно выложить их в один ряд).

Решение возникшей проблемы связывается в настоящее время с заменой металлической связи на оптическую, для которой необходимы излучатели, фотоприемники, модуляторы, разветвители и другие оптические элементы. Однако у кремния ограниченные возможности в части оптических свойств, поэтому для расширения их спектра ученые интегрируют Si с другими материалами.

Скачать или читать эту статью в формате PDF, 24 стр.

Квантовые точки_часть 2

Также по теме читайте предыдущую статью:

Квантовая точка. часть 1

Наиболее привлекательным является подход, основанный на гетероэпитаксии различных материалов на кремнии. Спектр используемых при этом материалов достаточно широк, начиная от элементарных полупроводников (германий и углерод), полупроводниковых соединений (арсениды галлия, индия и алюминия, нитриды галлия и алюминия, теллуриды кадмия, ртути, свинца и олова) и завершая твердыми растворами (двойными, тройными и четверными) на основе полупроводниковых материалов. [1]

Источники публикации

1. Наночастицы с огромным потенциалом [В Интернете] / авт. Двуреченский Анатолий Васильевич // Науки в Сибири. — издание Сибирского отделения РАН, 01 11 2018 г.. — 05 06 2020 г.. — http://www.sbras.info/articles/science/nanochastitsy-s-ogromnym-potentsialom

2. Полупроводниковые коллоидные квантовые точки [Электронное учебное пособие] / авт. Грибкова Н. С. Лесняк В. И.. — Ростов-на-Дону : Южный федеральный университет ; Международный исследовательский центр «Интелектуальные материалы», 2017 г. http://sneg5.com/wp-content/uploads/2-Полупроводниковые-коллоидные-КТ-5_уч-пособие_ЮФУ_2017.pdf

3. Квантовые точки: полиграфия и другие области применения [В Интернете] / авт. Ольга Филатова // Печатник.com — полиграфический портал. — 08 12 2016 г.. — 05 06 2020 г.. — https://pechatnick.com/articles/kvantovie-tochki-poligrafiya-i-drygie-oblasti-primeneniya

4. Микроэлектроника переходит на квантовые точки [Журнал] / авт. Капуткина Наталия, Алтайский Михаил // Коммерсантъ-Наука. — Москва : АО «Коммерсантъ», 30 11 2015 г.. — № 7. — стр. 34-36.

стр. 34: http://sneg5.com/wp-content/uploads/NAUKA_07-2015_34.pdf

стр. 35: http://sneg5.com/wp-content/uploads/NAUKA_07-2015_35.pdf

5. Квантовые точки (Quantum dot LED) — новая технология производства дисплеев [В Интернете] / авт. Виталий Шундрин // MediaPure.ru — cтатьи о компьютерах, мультимедийной технике. — 01 05 2015 г.. — 05 06 2020 г.. — https://mediapure.ru/matchast/kvantovye-tochki-quantum-dot-led-novaya-texnologiya-proizvodstva-displeev/

6. Квантовые точки — что это такое [Видео] / Канал администратора общественно-образовательного портала SNEG5.com   https://youtu.be/XkJLgQuNfXo

7. Квантовые точки — светодиоды и краски  [Видео] / Канал администратора общественно-образовательного портала SNEG5.com  https://youtu.be/rfTGFsFWPp8

Литература по теме «Квантовые точки»

1. Марков, С.А. Органический синтез коллоидных квантовых точек / С.А. Марков // Окно в микромир. — 2002. — № 4. – С. 18-24.

2. Козлова, М.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук. Особенности нелинейного поглощения при резонансном одно- и двухфотонном возбуждении экситонов в коллоидных квантовых точках CdSe/ZnS / М.В. Козлова. – Москва, 2015.

3. Ненашев, А.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Моделирование электронной структуры квантовых точек / А.В. Ненашев. – Новосибирск, 2004.

4. Кравцова, А.Н. «In silico исследование атомной и электронной структуры квантовых точек CdTe, допированных атомами редкоземельных элементов» / А.Н Кравцова, А.В. Солдатов, С.А. Сучкова, // Журнал структурной химии. – 2016. – Т. 57, № 3. – С. 508 – 514.

5. Кравцова, А.Н. Допированные квантовые точки семейства CdTe / А.Н Кравцова, А.В. Солдатов, С.А. Сучкова, К.А. Ломанченко, И.А. Панкин, М.Б. Файн, А.Л. Бугаев // Известия РАН. Серия физическая – 2015. – Т. 79, № 11. – С. 1612-1611.

6. https://www.scm.com/

7. Васильев, Р.Б. Методические материалы. Квантовые точки: синтез, свойства, применение // Р.Б. Васильев, Д.Н. Дирин. — М: ФНМ МГУ, 2007.

8. Солдатов, А.В. Методические указания по курсу “Спектроскопия рентгеновского поглощения”. Часть II / А.В. Солдатов. – Ростов-на-Дону. – 2011.

Общая оценка материала: 5
Оценка незарегистрированных пользователей:
[Total: 14 Average: 5]