Geum.ru

Лекция До недавнего времени физики и инженеры электронщики в своих расчетах использовали только законы классической физики. Иэто было вполне оправдано, т к.

Вид материалаЛекция

Содержание


Национального института
Подобный материал:

Понятие о нанотехнологиях


Лекция


До недавнего времени физики и инженеры электронщики в своих расчетах использовали только законы классической физики. И это было вполне оправдано, т.к., например, электроны в кинескопе движутся так же, как классические материальные точки. Таких примеров можно привести очень много. Однако ситуация меняется. Интегральные схемы становятся все более сложными и объединяют в себе все большее количество элементов, следовательно, должны уменьшаться размеры этих элементов. Эти размеры достигли долей микрона. В этот момент описание на языке классической физики теряет всякий смысл и создатели вынуждены обратиться к квантовой механике.

В классической физике электроны, как и все другие частицы, движутся по траекториям. В любом случае, задав начальную координату и импульс, можно вычислить траекторию.

В квантовой механике картина движения совершенно иная. Эта теория не описывает движение по траектории. Здесь накладывается ограничение на точность, с которой могут быть заданы начальная координата и импульс электрона. Если координата электрона известна с точностью x, то его импульс можно определить не точнее, чем p  h/2x. Это соотношение неопределенностей Гейзенберга. Из этого соотношения видно, что очень точное задание координаты электрона приводит к большой неопределенности импульса и, значит, направление, по которому будет двигаться электрон, предвидеть невозможно.

Физики уже накопили большой опыт в разработке приборов, действие которых основано на квантовомеханических принципах. Укладывая атомы с точностью до одного-двух слоев, можно создавать искусственные кристаллы, молекулы и атомы с заданными свойствами. Такие полупроводниковые структуры имеют размеры порядка нескольких нанометров. Можно выделить несколько основных типов микроструктур: квантовые ямы, нити, точки, сверхрешетки.

НАНО - приставка, означающая десять в минус девятой степени, или одну миллиардную долю метра. Нанотехнология позволит создавать абсолютно любые объекты, манипулируя отдельными атомами вещества. Она, заменив другие технологии, позволит не только победить старение и болезни, дав нам Бессмертие и время Вечной молодости, но и обеспечит человечество фантастическими материальными богатствами, позволит освоить космическое пространство.

Можно сказать, что нанотехнология - отрасль молекулярной технологии, ориентированная на получение устройств (напр. нанокомпьютеров), роботов, веществ с наперед заданной молекулярной структурой, производя их атом за атомом.

Сегодня нанотехнологии помогают решать следующие практические задачи:
  • Создание твердых тел и поверхностей (материалов и пленок) с измененной молекулярной структурой. На практике это даст сверхпрочные металлы, ткани, пластмассы; самовосстанавливающиеся материалы.
  • Создание новых химических веществ посредством составления молекул (без химических реакций). Это даст массу новых лекарств (в ближайшие 10-20 лет, потом они будут не нужны), которые врачи будут "конструировать" исходя из болезни. Также создание биологически совместимых полимеров, в основном на базе углерода. Это потребуется для наномедицины. Нанороботы должны приниматься организмом как "свои" и не провоцировать "атаки" антител.
  • Создание сверхпроводников нового типа, т.н. сверххолодных. Также - коммуникационных линий: нанотрубки, ДНК 4G. (ДНК 4G – обыкновенная ДНК, в которой гуаниновые основания заменены на проводящие или непроводящие участки, что позволит получить структуру с различной электропроводимостью).
  • Создание нанокомпьютера. Дальнейшая миниатюризация и радикальное повышение вычислительной мощности.
  • Разработка самореплицирующихся (саморазмножающихся) систем на базе биоаналогов – бактерий, вирусов, простейших.
  • Проектирование и испытание моделей наномашин (нанодвигателей).
  • Создание прецизионных (точных) наноманипуляторов и многое другое.

Разработки современных нанокомпьютеров (квантовый или механический компьютер нанометрических размеров с высокой производительностью), имеющих высокую плотность логических элементов с максимально возможно низким потреблением энергии, привело к предложению использовать в логических элементах проводящие островки очень малого размера — квантовые точки. Нанокомпьютер будет способен обрабатывать за одно действие 4n бит информации, притом, что современные компьютеры могут обрабатывать за раз не более одного бита, хотя делают они это очень быстро, совершая миллионы операций в секунду. В таких приборах для реализации вычислений логических булевых функций используют массивы связанных взаимодействующих квантовых точек. Эти новые приборы называют квантово-точечными клеточными автоматами (QCA – Quantum Cellular Automata).

О
снову прибора составляет ячейка, состоящая из четырех или пяти квантовых точек.

«1» «0» «1» «1»

Состояние с высокой энергией Состояние с низкой энергией

Рис. 1. Различные конфигурации ячеек квантово-точечных автоматов.


На рис. 1 представлена ячейка из пяти квантовых точек: четыре точки расположены в углах квадрата, а одна – в его центре. В ячейку при помощи внешнего напряжения через дополнительный электрод вводятся два избыточных электрона, и ячейка приобретает электрический заряд. Квантовые точки в ячейке располагаются таким образом, что возможно туннелирование только через центральную точку. Из-за электростатического отталкивания между избыточными электронами вся система будет иметь минимальную энергию только в том случае, если электроны расположатся как можно дальше друг от друга, т. е. в углах квадрата, соединенных диагональю. Поскольку таких возможных положений всего два, то система имеет всего два устойчивых состояния (две поляризации), и, следовательно, одно из этих состояний можно считать логической единицей («1»), а второе — логическим нулем («0»). При переходе системы из одного устойчивого состояния в другое, меняются поляризация системы и распределение электрических полей вокруг ячейки. С помощью дополнительных электродов, связанных с ячейкой емкостной связью, можно навязать ячейке необходимое состояние и перевести ее в состояние «1» или «О». Если рядом с первой ячейкой расположить вторую (в которой также находится два дополнительных электрона), то электростатическое поле первой ячейки заставит электроны располагаться так, чтобы обеспечить минимум электростатической энергии всей системы (рис. 1). Составляя комбинации из расположенных разным образом ячеек, можно реализовать разнообразные логические функции и выполнить необходимые логические преобразования и вычисления. На рис. 2 представлен пример комбинации ячеек, при которой состояние на выходе определяется большинством состояний на входе (логическая функция «Majority»). Предложены разнообразные комбинации ячеек для реализации логических операций. На основе таких элементов возможно создание нанокомпьютера. Важно отметить, что взаимное расположение ячеек обеспечивает передачу логического сигнала без перемещения зарядов вдоль цепочки – в бестоковом режиме, только за счет передачи вдоль цепочки состояния поляризации.

Преимущества логических устройств на основе квантово-точечных клеточных автоматов состоят в том, что по сравнению с аналогичными устройствами на основе полевых транзисторов требуется значительно меньший объем активной области. Например, полный сумматор на основе клеточных автоматов с размером точки 20 нм можно расположить на площади около 1 мкм2, в то время как такую же площадь занимает всего лишь один полевой транзистор. Для построения такого же сумматора на основе полевых транзисторов требуется примерно 40 транзисторов. Если еще учесть области коммутации транзисторов между собой, а они, как известно, занимают объем, сравнимый или даже превосходящий объем, занятый активными приборами, то преимущества использования клеточных автоматов становятся очевидными.

П
ринципиальная возможность функционирования логических элементов на основе клеточных автоматов была продемонстрирована при Т = 15 мК на примере ячейки, изготовленной при помощи стандартной электронно-лучевой литографии из алюминиевых островков на поверхности окисленной кремниевой пластины. Площадь прибора составляла величину ~50 X 50 нм2.


Рис. 2. Комбинации ячеек квантово-точечного автомата, при которых состояние на выходе определяется большинством состояний на входе.


Вычислительный процесс в приборах, на основе клеточных автоматов, осуществляется при переходе всей совокупности ячеек в состояние с минимальной энергией — в основное состояние. Поскольку сложные вычислительные устройства должны содержать большое число ячеек, то состояние с минимальной энергией можно получить разными способами. Это может приводить к ошибкам в вычислениях. Кроме того, такие системы чувствительны к внешним воздействиям и поэтому требуют строгого контроля внешних условий. При повышении температуры вычислительный процесс может быть разрушен. Для ячеек, у которых размер одной квантовой точки —20 нм, изменение энергии при перезарядке точки составляет величину ~1 мэВ (примерно 1/20 kT при комнатной температуре). Так же как и для одноэлектронного транзистора, рабочую температуру нужно повышать за счет уменьшения размеров ячейки (и соответственно каждой квантовой точки). Существует еще одна проблема, которая должна быть решена для успешной работы устройств на основе клеточных автоматов. Она состоит в том, что поскольку электростатическое поле ячейки влияет на соседние ячейки, как в направлении выхода устройства, так и в направлении входа, то из-за случайных воздействий возможно распространение сигнала не только от входа к выходу, но и наоборот. Для устранения этого недостатка предложены устройства на основе квантовых точек, у которых направление передачи сигнала определяется внешним электрическим полем. Практическое изготовление устройств на основе клеточных автоматов находится в самой начальной стадии и требует разрешения целого ряда проблем, в основном технологических.

Уже понятно, что нанокомпьютеры будут развиваться одновременно по нескольким направлениям, реализующим различные способы представления информации - на основе квантовой логики, классической логики, нейрологики, а также некоторые другие, которым в настоящее время трудно дать определение, - генетические, молекулярно-биологические, молекулярно-механические и др.

Например, специалисты Национального института в японском городе Цукуба создали уникальный нанокомпьютер, работающий аналогично человеческому мозгу, состоящий всего из 17 молекул органического вещества, однако способный производить параллельные вычисления. Обычный транзистор может в данный момент времени осуществлять только одну логическую операцию, а мозг – сразу большое множество, так как каждая нервная клетка соединена с другими множеством связей. Это делает мозг совершенной вычислительной машиной. Созданная учеными молекулярная структура является аналогом мозга и позволяет добиваться 4 миллиарда различных состояний объекта в результате действия одного сигнала, поданного на центральную молекулу.

Созданный компьютер представляет собой собранные на золотой пластине 16 молекул дурохинона, каждая из которых имеет форму зубчатого колеса с четырьмя выступающими спицами. Семнадцатая молекула выполняет функцию подачи команд и находится в центре. Все молекулы, по словам разработчиков, связаны водородными связями.


Нанокомпьютер способен обрабатывать за одно действие 4 в 16-й степени бит информации, притом, что современные компьютеры могут обрабатывать за раз не более одного бита, хотя делают они это очень быстро, совершая миллионы операций в секунду.

Для управления компьютером используется специальный туннельный сканирующий микроскоп, который одновременно является и считывающим устройством.

Технически в настоящее время наиболее развито направление, в основе которого лежит использование электронных нанотранзисторов, в том числе одноэлектронных (SET, single-electron transistor), включая также транзисторы с поляризованными электронами (спинтронные транзисторы). В таких транзисторах уже достигнут квантовомеханический предел передачи классической информации, налагаемый принципом Паули и принципом неопределенности Гейзенберга. Достигнут также и уровень тепловыделения, определяемый принципом Ландауэра, при потере бита информации в необратимых вычислениях. Несмотря на то, что до реального применения SET в компьютерной технике еще далеко, проработка различных архитектурных вариантов будущих нанокомпьютеров на их основе идет полным ходом. При этом роль физических критериев, определяющих границы реализуемости вычислительных структур, является, несомненно, определяющей.


Открытый банк данных для учащейся молодежи, студентов, преподавателей и всех других в 23 разделах: учебные материалы, обучающие и научно-популярные видео материалы, образование и рынок труда, проблемы науки, студенческий досуг, социально-экономические проблемы студентов, музыкальные коллекции, DVD и многое другое.