Nanotexnologiya nima? kvant chuqurliklar, kvant simlar va kvant nuqtalar-chi?

tarix	18.07.2016
ölçüsü	55 Kb.

Nanotexnologiya nima? kvant chuqurliklar, kvant simlar va kvant nuqtalar-chi?
Muhandislik faniga aylanmoqda
Ma'lumki, klassik mexanika moddiy zarralarning aniq chiziqlar, ya'ni traektoriyalar bo‘ylab harakat qilishini miqdoriy qonuniyatlar yordamida o‘rganadi. Bunda zarraning boshlang‘ich holatini ifodalovchi shartlar ma'lum bo‘lsa, kelgusida uning qanday bo‘lishi ham aniqlanadi. Oqibat, fanda chuqur iz qoldiradigan va olamning mexanik manzarasini yaratish (barcha hodisalarni mexanika qonunlari asosida tushuntirish)ga intilish paydo bo‘ldi.
Afsuski, olamni faqat mexanika qonunlari asosida butunlay tushuntirishning iloji yo‘q. Shu bois, bunday qarashlar o‘zini oqlamadi desak, xato bo‘lmaydi. XIX asr oxiri XX asr boshlarida matematika sohasida erishilgan yutuqlar (differentsial hisob, Minkovskiy geometriyasi) tufayli mexanik qonunlarning yangi ko‘rinishlari paydo bo‘ldi. To‘lqin tenglamalarining otasi Ervin Shryodinger tomonidan yaratilgan mikrozarralarning harakat (Shryodinger) tenglamalari klassik tasavvurlarga sig‘maydigan natijalarga olib keldi. Masalan, energiyaning kvantlanishi (klassik mexanikada esa energiya uzluksiz bo‘ladi). O‘sha davrda bu tenglamalar to‘g‘risida fikr yuritishga jazm qiladigan inson yo‘q edi. Sababi, bunga ma'lum ma'noda «fandagi shakkoklik» deb ham qaralgan.
Kvant fizikasining asoschilaridan biri M. Plank 1879 yili Myunxenda dissertatsiyasini himoya qilgandan keyin ustozi Filip fon-Jolliga nazariy fizika bilan shug‘ullanish niyati borligini aytadi. Ustoz esa o‘z navbatida nazariy fizika poyoniga yetgani, faqat ba'zi xususiy hollar, boshlang‘ich va chegaraviy shartlarni o‘zgartirib differentsial tenglamalarning echimini topish qolgani, umuman, bu «istiqbolsiz ish» bilan shug‘ullanish befoydaligini uqtiradi.
Shunga qaramay, Plank nazariy fizika bilan shug‘ullanishni davom ettirib, 1900 yili elektromagnit nurlanishning diskret ekanligini kashf qildi. 1905 yilda Eynshteyn tomonidan elektromagnit maydonning energiyasi diskret strukturaga egaligi, undagi eng kichik zarra fotonni aniqlaydi, keyinchalik atomning kvant nazariyasi va kvant mexanikaga asos soladi. U davrda kvant mexanikasi tushunchalarining ilm ahli tomonidan qabul qilinishi juda qiyin kechdi. Boisi, birinchidan, kichik zarralarning kichik o‘lchamlarda harakat traektoriyasi degan tushunchaning yo‘qligi, ikkinchidan, Veyner Geyzenberg tomonidan kiritilgan noaniqlik printsipi edi. Unga ko‘ra, kichik o‘lchamlarda zarrachaning impulsi va koordinatasi (energiya yoki vaqt)ni bir vaqtda katta aniqlikda o‘lchab bo‘lmaydi.
Nobel mukofotining laureati Richard Feynman tomonidan yaratilgan kvant mexanika borasida ko‘pchilik bu murakkab formulalar to‘plamidir, degan fikrda. Olim etuk mutaxassis sifatida kvant mexanikasining yuksak istiqbolini ko‘ra bilgan. Uning ta'kidlashicha: «Insonlar kelgusida alohida atomlarni boshqarishni o‘rganib olib, xohlagan narsalarini yaratishlari (sintez qilishlari) mumkin». Sohaning keyingi rivoji jism zarralari harakatini o‘lchamning kvantlanishi masalalariga olib keldi. Bunda erkin zarraning harakatini biror-bir o‘lcham yoki yo‘nalish bo‘yicha chegaralasak, ya'ni kvantlasak, natijada uning harakat qonunlari erkin zarranikidan butunlay farq qiladi. Kvantlashni davom ettirib, zarraning harakatini ikki o‘lcham bo‘yicha (bir o‘lchamli tuzilmalar), so‘ngra uni uchala o‘lcham bo‘yicha ham chegaralasak (nol o‘lchamli tuzilmalar), butunlay yangi hodisalar va qonuniyatlar namoyon bo‘lar ekan. Xususan, 1987 yili ikki o‘lchamli elektronlar gazida kvant va kasrli kvant Xoll effektlarining kashf etilishi past o‘lchamli tuzilmalarga qiziqishni kuchaytirdi. Ikki o‘lchamli tuzilmalarda yorug‘likning katta miqdorda sochilishi va yutilishi, yupqa pardalarda ulkan magnit qarshiliklar, uglerod asosidagi kvant o‘lchamli yirik molekulalar, fullurenlarning kashf etilishi va ularning amaliyotda ishlatilish istiqbollari - bu sohadagi izlanishlarga katta turtki berdi.
O‘lchamli kvantlanishni yarim o‘tkazgichlarda namoyon qilish yuqori texnologiyalar (molekulyar nurli epitaktsiya) yordamida biror taglik ustida nafaqat kristolografik tuzilishi, balki kimyoviy tarkibi ham bir-biridan farq qiladigan o‘ta yupqa qatlamlar o‘stirish orqali amalga oshirildi. Bu sohadagi tadqiqot ishlari o‘tgan asrning 70-yillaridan boshlandi. E'tiborlisi, asosan uchlangan birikmalar asosida Alx Ga1-x As ikkilangan geteroo‘tishlar hosil qilish ustida tadqiqotlar olib borildi va natijada 2003 yili nemis olimi Bimberg va rus olimi J.Alfyorov Nobel mukofotiga sazovor bo‘lishdi. Hozir yarim o‘tkazgichlardagi past o‘lchamli strukturalar quyidagilarga bo‘linadi:
- kvant nuqtalar (KN) - bu strukturalarning o‘lchamlari mavjud uch yo‘nalish bo‘yicha qator atomlar orasidagi masofa tartibida bo‘ladi (KNlarni ba'zan sun'iy atomlar deb ham atashadi). Masshtabiga bog‘liq ravishda struktura nol o‘lcham (0D) yoki uch o‘lchamli (3D) hisoblanadi. Bu erda D-dimention - o‘lcham, massiv, o‘lchov, kattalik, hajm so‘zlarining birinchi harfi bo‘lib, uning oldidagi raqam esa tuzilma geometrik o‘lchami tartibini bildiradi;
- kvant simlar (KS) yoki kvant iplar (KI) - bunda strukturalar o‘lchamlari ikki yo‘nalish bo‘yicha bir necha atomlar orasidagi masofaga teng bo‘ladi, uchinchi yo‘nalish bo‘ylab esa o‘lcham makroskopik qiymatga ega bo‘ladi (1D);
- kvant devorlar (KD), boshqacha aytganda, kvant chuqurliklar (KCh) -strukturalarning o‘lchamlari bir yo‘nalish bo‘yicha qator atom oralig‘idagi masofa tartibida bo‘ladi, qolgan ikki yo‘nalish bo‘yicha esa o‘lcham makroskopik qiymatga ega bo‘ladi (2D).
O‘lchami chegaralangan muhitda elektronlar holati va tashqi ta'sirlarga javobi quyidagicha kechishi mumkin. Faraz qiling, o‘quvchi bola futbol maydonida turibdi. U uch o‘lcham bo‘yicha harakat qilishi, to‘rt tarafga yugurishi va yuqoriga sakrashi mumkin. Demak, u X, Y, Z koordinata o‘qlar bo‘yicha erkin harakat qiladi. Bunga bolaning uchta erkinlik darajasi bor deyiladi. Yuqoriga harakat qilishi, sakrashini tepadan devor bilan chegaralasak, u faqat chor atrofga XOY koordinata tekisligida yugurishi mumkin. Bunda bolaning harakati ikki o‘lchamli bo‘ladi. Bolani ikki yon tomondan ham devorlar bilan to‘sib, harakatni yana chegaralasak, u faqat oldinga harakat qila oladi. Agar harakati faqat bitta koordinata o‘qi bilan belgilansa, u bir o‘lchamli deyiladi. Bola harakati old va orqadan chegaralansa, u harakatlana olmaydi. Bu uning harakati nuqtadan iborat degani.
Yuqorida keltirilgan to‘rt holatda bolaning tashqi ta'sirga beradigan javobini tasavvur qilib ko‘ring. Birinchi holda u erkin, ikkinchisida sakrashga da'vat qilinsa-da, bunga imkoni yo‘q, uchinchi vaziyatda esa faqat oldinga va orqaga harakat qila oladi. Tashqi da'vat uni yon tomonga undasa-da, buning iloji bo‘lmaydi. To‘rtinchi holatda harakati butunlay cheklangan, u faqat etarli bo‘lgan tashqi kuchlar ta'siridagina devorlardan oshishi mumkin, kuch etarli bo‘lmasa, o‘z holatini o‘zgartira olmaydi. Barcha holda ham bolaning tashqi ta'sir yoki da'vatlarga javobi turlicha, ba'zan esa g‘ayritabiiy bo‘lib, u o‘z vaziyatidan kelib chiqib, javob beradi va hatto kutilmagan harakatlar qiladi. Elektron ham bolaga o‘xshab o‘zini yuqorida tasvirlanganidek tutadi.
Chegaralangan tuzilmalarda zarracha yoki elektron energiyasini o‘z holatidan kelib chiqib o‘zgartirdi, potentsial to‘siq (devor)larni engish uchun etarlicha energiya berilsagina oshib o‘tadi, aks holda, energiya qancha katta bo‘lmasin, natija kuzatilmaydi. Oqibatda elektron energiyasining uzluksiz ortishiga imkon bermay, sakrab, faqat ma'lum miqdorda o‘zgarishiga olib keladi, fan tilida esa bu kvantlanish deb ataladi.
Mazkur hodisalar yordamida ko‘plab zamonaviy elektron asboblar va qurilmalar yaratish mumkin. Ularga yarim o‘tkazgichli lazerlar, fotoelementlar, turli datchiklar, sensorlar, tranzistorlar, doimiy xotira qurilmalari, DVD disklar, shuningdek, kvant kompyuterning asosi bo‘lgan uch o‘lchamli kvant hodisalarga asoslangan mikrosxemalarni kiritish mumkin.
Quyida bu qurilmalar, magnit molekulalar, ularni olish va ishlab chiqarish usullari bilan shug‘ullanuvchi yangi soha - «nanotexnologiya» bilan kengroq tanishamiz.
Magnit molekulalar
Tarkibida nodir Yer elementlari va o‘tish guruhi metallari ionlari bo‘lgan molekulyar kristallarga magnit molekulyar nanoklasterlar deyiladi. Bu kristallarning tarkibiy qismi bo‘lgan molekulalar murakkab tuzilishga ega. Ular qo‘shimcha ichki erkinlik darajasi - magnit momentiga ega. Aynan shu magnit momenti ularning xossalariga xilma-xillik bag‘ishlaydi va ularni tashqi magnit maydoni yordamida boshqarishga imkon beradi. Aytish joiz, magnetizm mohiyatan kvant mexanik hodisadir. Mendeleev jadvalining ko‘pgina elementlari atomlari, elektron spinlari kompensatsiyalanmaganligi tufayli magnit momentiga ega. Ular orasida o‘tish guruhi metallari (Fe, Co, Ni, Mn va b.), lantanoidlar (nodir er elementlari va aktanoidlar) eng ko‘p e'tiborga molikdir. Odatda molekulalar diamagnitdir, ammo ba'zida, masalan, kislorod molekulalari bundan istisno bo‘lishi ham mumkin. Makroskopik moddalarning magnit xossalari unchalik oddiy emas, chunki alohida atom yoki molekulalarning magnit momentlari murakkab darajada. Alohida atomlarning magnit xossalari juda yaxshi tushunarli. Hozirga qadar, tarkibida o‘tish guruhi yoki nodir Yer elementlari atomlari mavjud bo‘lgan magnit kristallarning xossalari batafsil o‘rganilgan bo‘lsa-da, qator savollar ochiq qolmoqda.
Gap shundaki, bu materiallarda mavjud uzoq magnit tartib alohida atomlarning magnit xossasi hissalarining oddiy superpozitsiyasi emas. Magnit tartiblanish - bu jamoaviy kvant mexanik hodisa bo‘lib, uning asosida Pauli printsipi bilan bog‘liq atom spinlari orasidagi o‘ziga xos ta'sirlashuv yotadi. Bu almashinuv ta'sirlashuvi deyiladi.
Almashinuv ta'sirlashuvi moddaning makroskopik sohalarida spinlarning parallel joylashuvini (ferromagnetizm), panjaraning qo‘shni tugunlarida antiparallel joylashuvi (antiferromagnetizm) yoki magnit tartiblanishning boshqa murakkab shakllarini yuzaga keltirishi mumkin. Magnetik klasterlar yoki magnit molekulalar alohida atomlarning mikroskopik magnetizmini va kristall holda amorf jismlarning makroskopik magnetizmini birlashtiruvchi bo‘g‘imdir. Shuning uchun ular ba'zan mezoskopik magnitlar deb ham yuritiladi. Mezoskopik atamasi o‘rta, oraliq ma'nosini bildirib, modda makroskopik jism sifatida shakllanmagan, biroq alohida atom emas, balki atomlar majmuasi bo‘lganda ularning xossalarini tavsiflashda ishlatiladi.
Ana shunday xossalarga ega molekulalar o‘tish guruhi elementlari ishtirokida qurilgan (Fe, Mn va b.) yuqori spinli metaloorganik molekulalar yoki magnit molekulalar deb ham ataladi. 1-rasm.
Ta'kidlash lozim, bu molekulalarning uyg‘unligi va mukammalligi kishini hayratda qoldiradi!.. Misol tariqasida oddiy Fe10 klasterlarni ko‘rib chiqaylik. Bu - xlor, kislorod va uglerod ionlari bilan o‘ralgan o‘nta Fe3+ ionlari, ular orasidagi ta'sirlashuv antiferromagnit xarakterga ega. Shu sabab, molekulaning asosiy holatida spini nolga teng S=0. Fe10 magnit klasterini bir molekula doirasidagi antiferromagnetik deyish mumkin.
Mn6 marganets xalqasi bundan-da murakkab tuzilgan. Bu klaster Mn2+ ionlari va organik radikallar ketma-ket joylashgan halqasimon uzilmadan iborat. Mn2+ ionlari spinlari (S=5/2) va R radikallar spinlari (S=1/2) o‘zaro kuchli antiferromagnit ta'sirlashuv bilan bog‘langan, shuning uchun Mn6 klasteri ferrimagnetik, ya'ni kompensatsiyalanmagan butun spinli struktura ekan. Agar Mn2+ ionlarining barcha spinlari yuqoriga, radikallarniki pastga yo‘nalsa, unda molekulaning to‘liq spini S=12 ga teng.
Bu kabi katta spinli klasterlar tabiatda kam uchrab, ular asosan laboratoriyalarda sintezlanadi. Yangi magnit materiallarni yaratish uchun «qurilish g‘ishtlari» sifatida katta qiziqish uyg‘otadi.
Ba'zi magnit klasterlarining (Mn2, Fe va b.) ajoyib xossalaridan biri molekulyar bistabillikdir. Bunda magnit molekula ma'lum yo‘nalishda magnit momenti orientatsiyasi bilan farq qiluvchi ikki holatda bo‘lishi mumkin. Mazkur holatlar orasidagi o‘tish tashqi magnit maydoni bilan amalga oshiriladi. Boshqacha aytganda, bunday molekula tabiiy xotira elementidir. Molekulalar orasidagi masofa ~10 nm bo‘lganda, ular yordamida xotiraga axborot yozish zichligi 100 gigabit/sm.2 dan yuqori bo‘lgan bo‘lar edi.
XX asrning oxirgi o‘n yilligida olingan dastlabki real eksperimental natijalar katta bahs-munozaralarga sabab bo‘ldi, yangi ilmiy yo‘nalish - kvant informatikani paydo etdi. Natijada axborotni uzatish va qayta ishlash texnikasida inqilobiy o‘zgarishlar kuzatildi.
Magnit tuzoq yordamida tutib olingan elektron, spinining magnit maydoni yo‘nalishiga proektsiyasi faqat ikki qiymatdan bittasini SZ=+1/2 va SZ=-1/2 qabul qilishi mumkin. Bu informatikada qo‘llaniladigan mantiq: «1» va «0» deb qaralishi mumkin.
Magnit molekulalarning yuqorida tilga olingan xossalari kvant kompyuterlarini yaratish, kvant telekommunikatsiya va kriptografiyada katta qiziqish uyg‘otmoqda.
Nano nima?
Keyingi o‘n yillikda jahon jamoatchiligi lug‘at boyligiga «nano» so‘zi kirib keldi. Xo‘sh, «nano» nima? Qisqa qilib aytganda, nano milliarddan bir qismdir.
Nanotexnologiya tushunchasi uchun tugal va aniq ifoda yo‘q, ammo mavjud mikrotexnologiya asosida bu o‘lchamlarni nanometrdagi texnologiya deb yuritish mumkin. Shuning uchun mikrodan nanoga o‘tish bu moddani boshqarishdan atomni boshqarishga o‘tish demakdir. Sohaning rivoji deganda esa asosan uchta yo‘nalish tushuniladi:
- o‘lchami atom va molekulalar o‘lchamlari bilan solishtirarli elektron sxemalarni tayyorlash;
- nanomashinalarni loyihalash va ishlab chiqish;
- alohida atom va molekulalarni boshqarish va ulardan alohida mikroob'ektlarni yig‘ish.
Bu yo‘nalishdagi izlanishlar ancha vaqtdan buyon olib borilmoqda. 1981 yilda tunnelli mikroskop yaratilib, alohida atomlarni ko‘rish mumkin bo‘ldi. Shundan buyon texnologiya sezilarli takomillashtirildi. Bugun bu yutuqlarni kundalik hayotda ishlatamiz: lazerli disklarni ishlab chiqarish, jumladan, DVD disklardan nanotexnologik usulsiz foydalanish mumkin emas.
Soha taraqqiyotidagi asosiy bosqichlarni bir eslab ko‘raylik.
1959 yil. Nobel mukofoti sohibi Richard Feynman kelajakda alohida atomlarni boshqarib, odam har qanday moddani sintez qilishi mumkinligini bashorat qildi.
1981 yil. Binig va Rorer tomonidan moddalardan atomlar darajasida ta'sir qila oladigan skanerlovchi tunnel mikroskopning yaratilishi.
1982-85 yillar. Sistemalarda atomar aniqlikka erishildi.
1986 yil. Atom quvvatli mikroskop yaratilib, u tunnel mikroskopidan farqli ravishda har qanday, masalan, tok o‘tkazmaydigan material bilan ham ta'sirlasha oladi.
1990 yil. Alohida atomlarni boshqarishga erishildi.
1994 yil. Sanoatda nanotexnologik usullarning qo‘llanila boshlanishi.
Nanorobotlar davri boshlanyaptimi?
Ko‘pgina mutaxassislar mikrotexnologiya tarixi Richard Feynmanning 1959 yili Amerika fiziklar jamiyatida o‘qigan mashhur ma'ruzasidan so‘ng boshlangan degan fikrda. U mikrotexnologiya potentsialini boy bo‘yoqlarda tasavvur etadi. Ma'ruzalarida kompyuterlar, axborotni saqlash qurilmalari, elektron qismlar va robotlar mitti holatda tasvirlangan edi. Feynmanning mikroelektronika borasidagi bashoratlari tez (aniqrog‘i, 1960-70 yillarga keliboq) amalga oshdi. 1980 yilda esa etakchi universitetlar va davlat laboratoriyalarida nisbatan arzon usullarda mitti mexanik detallar yaratila boshlandi. Buning uchun mikroelektromexanik sistemalar (MEMS) texnologiyasi ishlab chiqildi.
Amalda MEMSning ilk tijorat mahsuloti paydo bo‘lishi uchun 30 yil kerak bo‘ldi. Keng tarqalgan dastlabki MEMS texnologiyalari tezlanish sensorlari xorijda har bir avtomobilga o‘rnatilib, to‘qnashuvni payqash va havo yostiqchasini ishga tushirish uchun ishlatilardi. Hozir yiliga 50 millionta bu kabi sensorlar ishlab chiqariladi. Shuningdek, «Sandiya» firmasi ham samarali mikroskopik sensorlar yarata boshladi. 1990 yili yaratilgan avtonom robot MARV 1 kub dyuym hajmda bo‘lgan, 2000 yilga kelib esa uning o‘lchamlarini 4 marta kichiklashtirishga imkon tug‘ildi. Bu kabi robotlar kompyuter orqali boshqariladi, bajaradigan vazifalari esa turli-tuman. Ishlab chiqaruvchilarning fikricha, ularning asosiy vazifalari bomba va minalarni, xavfli biologik, kimyoviy va radioaktiv moddalarni qidirib topish hamda zararsizlantirishdan iborat. Shu bilan birga, robotlardan inson faoliyatini nazorat qilish, razvedkada va boshqa maqsadlarda foydalanish mumkin.
Ionlar implantasiyasi va kvant tuzilmalar
Ionlar implantatsiyasi - bu asos material taglik (masalan, kremniy)ga boshqa element (masalan, Ge, Mn, Fe, Ni) ionlarini bombardimon qilib kiritishdir.
Bunda taglikka mo‘ljallangan miqdorda begona atomlarni ionlar energiyasi va dozasini boshqarish orqali kiritiladi. Kiritilgan katta miqdordagi va nomuvozanatdagi atomlar o‘z-o‘zidan tashkillashish jarayonlari tufayli katta sondagi 10 000 tagacha atomlarning bir nuqtadagi birikmalari - nanoklasterni hosil qiladi va ular kvant xususiyatlilar deyiladi.
Keyingi yillarda yarim o‘tkazgichlar sirtida KNlarni ionlar implantatsiyasi usuli yordamida hosil qilish va ularning xossalarini o‘rganish shiddat bilan rivojlanmoqda. Jumladan, jahondagi ko‘plab ilmiy markazlarda kremniy kristaliga germaniy ionlarini implantatsiya qilish yordamida KNlar hosil bo‘lishi, ularning shakli va xossalarga ta'sirini o‘rganishga bag‘ishlangan qator ilmiy ishlar mavjud.
Hozirgi zamon elektron texnikasining asosiy materiali bo‘lib hisoblangan kremniy kristallarida bunday ob'ektlarni hosil qilish juda istiqbolli masala hisoblanadi. Kremniy kristaliga kiritiladigan aralashmalar miqdori ularning kremniydagi eruvchanligi bilan chegaralangan. Bu chegarani o‘zgartirish uchun qo‘llaniladigan usullardan biri ionlar implantatsiyasi usulidir. O‘tish guruhiga kiruvchi elementlar atomlarini kremniyga kiritish ularning fizik va rekombinatsion parametrlarini tubdan o‘zgartirib yuboradi. Shu tufayli, bunday aralashmalar kiritilayotgan kremniy namunalari o‘ta sezgir datchiklar sifatida xalq xo‘jaligining turli sohalarida ishlatiladi. Bunday aralashmalardan tashkil topgan KNlarni hosil qilish ham, albatta, amaliy jihatdan juda qiziqarlidir.
Ionlar implantatsiyasi yordamida kremniy kristaliga kiritilgan Fe+ va Mn+ ionlarining KNlarni hosil qilish sharoitlari va ularning elektrofizik va fotoelektrik xossalarga ta'sirini o‘rganishga bag‘ishlangan qator tajribalar o‘tkazilgan. Haqiqatdan ham, KNga ega bo‘lgan bunday namunalarda spektrning yaqin va o‘rta infraqizil sohasida anomal ravishda katta bo‘lgan foto sezgirlik, turli xil tok noturg‘unliklari, gigant magnit qarshiligi va shunga o‘xshash juda ko‘p qiziqarli hamda amaliy jihatdan istiqbolli natijalar olingan. Ular temir hamda o‘tish guruhiga kiruvchi elementlar atomlarining ionlashgan holatida murakkab molekulalar (masalan: Mn6, Mn12, Fe8, Fe10 va h.k.), ya'ni KNlar hosil bo‘lishi bilan tushuntiriladi.
Darhaqiqat, so‘nggi davrlarda o‘tish guruhi elementlari - Fe, Co, Ni, Mn kabilarning ma'lum sharoitlarda kislorod, vodorod va uglerod atomlari bilan o‘zaro ta'sirlashib o‘z-o‘zidan tashkillanish jarayonlari tufayli juda katta spinga ega bo‘lgan (S=12) ulkan magnit molekulalarning hosil bo‘lishi, ularning magnit xossalarini o‘rganish jadal sur'atlar bilan amalga oshirilmoqda. Bunday molekulalar maxsus texnologiya yordamida olingan, ularning magnit xossalari juda past haroratlarda namoyon bo‘lishi aniqlangan. Bundan tashqari, mazkur turdagi molekulyar sistemani tashkil qiluvchi magnit molekulalar (ular KNlar ham deb ataladi) to‘lqin funktsiyalari korrelyatsiyasini ta'minlashning murakkabligi, ya'ni ularning xossalarini bashorat qilish qiyinligi tufayli ularni amaliyotda ishlatish muammolari hanuz hal etilmagan.
Kvant tuzilmalarning qo‘llanilishi
Hozirdanoq kvant tuzilmalar elektronikaning barcha jabhalarida keng qo‘llanila boshlangan. Xususan, kvant tuzilmalar asosida yaratilgan o‘ta yuqori chastotali tunnel diodlar, tranzistorlar, yarim o‘tkazgichli lazerlar, turli datchiklar va sensorlar, kvant kompyuterlar uchun mikroprotsessorlar zamonaviy elektronikaning asosi bo‘lib hisoblanmoqda.
Rezonansli tunnel diod - klassik zarracha, to‘liq energiyasi potentsial to‘siq energiyasidan katta bo‘lsagina undan oshib o‘tadi, kichik bo‘lsa zarracha to‘siqdan qaytadi va teskari tomonga harakatlanadi. Kvant zarracha esa boshqacha harakatlanadi: uning energiyasi etarli bo‘lmasa ham to‘siqni to‘lqin kabi engib o‘tishi mumkin. To‘liq energiyasi potentsial energiyadan kam bo‘lsa ham to‘siqni oshmasdan o‘tish ehtimoli mavjud ekan. Bu kvant hodisa «tunnel samarasi» nomini oldi va u rezonansli tunnel diodida foydalaniladi.
Kvant chuqurliklari asosidagi lazerlar
Kvant tuzilmalar lazerlar tayyorlashda muvaffaqiyatli qo‘llanilmoqda. Bugungi kunda kvant chuqurliklar asosida yaratilgan samarali lazer qurilmalari iste'molchilar bozoriga etib bordi va tolali-optik aloqada muvaffaqiyatli qo‘llanilmoqda. Qurilmalar tuzilishi va ishlashi quyidagicha: birinchidan, har qanday lazer uchun energetik sathlarning invers zichlanishini oshirish lozim. Boshqacha aytganda, yuqori energetik sathda quyi sathdagiga qaraganda ko‘proq elektronlar joylashishi kerak bo‘lib, termik muvozanat holati paytida buning aksi bo‘ladi. Ikkinchidan, har bir lazerga optik rezanator yoki elektromagnit nurlanishni ishchi hajmga to‘playdigan qaytargichlar sistemasi zarur.
Kvant chuqurlikni lazerga aylantirish uchun uni elektronlar kiruvchi va chiqib ketuvchi ikki kontaktga ulash lozim. Kontakt orqali elektron o‘tkazuvchanlik zonasiga kirgan elektron sakrab, o‘tkazuvchanlik zonasidan valent zonasiga o‘tadi va ortiqcha energiyasini kvant, ya'ni elektromagnit to‘lqin shaklida nurlantiradi. Keyin valent zonadan boshqa kontakt orqali chiqib ketadi. Kvant mexanikasida nurlanish chastotasi (5) shart bilan aniqlanishi ma'lum. Bu yerda Es1, E v1 mos holda o‘tkazuvchanlik zonasi va valent zonadagi birinchi energetik sathlar energiyasi.
Lazer hosil qilgan elektromagnit nurlanish asbobning markaziy ishchi sohasida to‘planishi lozim. Buning uchun ichki qatlamlarning sindirish ko‘rsatkichi tashqarinikidan katta bo‘lishi kerak. Ichki soha to‘lqin uzatgich vazifasini o‘taydi deyish ham mumkin. To‘lqin uzatgich chegaralariga qaytaruvchi oynalar o‘rnatilib, ular rezonator vazifasini bajaradi.
Kvant chuqurliklar asosidagi lazerlar oddiy yarim o‘tkazgichli lazerlarga qaraganda qator afzalliklarga ega. Ularga quyidagilarni kiritish mumkin: generatsiyalanayotgan lazer chastotasini boshqarish imkoni, optik nurlanishda befoyda so‘nishning kamligi, invers zichlanishni hosil qilish elektron gazlarda osonligi tufayli kam tok talab qilinadi va ko‘proq yorug‘lik beriladi. Shu tufayli ularning foydali ish koeffitsienti 60 foizgacha etadi.
Hozirda ham kvant chuqurliklar asosida lazerlar tayyorlash bo‘yicha dunyoning ko‘pgina laboratoriyalarida keng qamrovli ishlar olib borilmoqda. Aynan tolali-optik aloqada qo‘llanilayotgan lazerlar yaratishdagi xizmatlari uchun 2003 yili rus olimi J. Alfyorovga Nobel mukofoti berilgan edi.
Istiqbol qanday?
Bugun nanotexnologiyaning quyidagi ustuvor rivojlanish yo‘nalishlari mavjud:
1. Tibbiyot. Odamning tanasida paydo bo‘ladigan barcha kasalliklarning oldini oluvchi yoki davolovchi molekulyar nanorobotlarni yaratish. Amalga oshish muddati - XXI asrning birinchi yarmi.
2. Gerontologiya. Insonlarning jismoniy boqiyligiga, odam tanasidagi hujayralar qirilishining oldini oluvchi, odam organizmi to‘qimalarining ishlashini yaxshilash va qayta qurish uchun molekulyar robotlarni kiritishga erishish. Amalga oshish muddati - XXI asrning to‘rtinchi choragi.
3. Sanoat. Iste'mol mollarini ishlab chiqarishda an'anaviy usullardan foydalanishdan bevosita atom va molekulalardan yig‘ishga o‘tish. Amalga oshish muddati - XXI asrning boshi.
4. Qishloq xo‘jaligi. Oziq-ovqatni tabiiy ishlab chiqaruvchilarni (masalan, o‘simliklar va hayvonlar) molekulyar robotlardan tuzilgan funktsional o‘xshashlariga almashtirish. Ular tirik organizmda sodir bo‘ladigan kimyoviy jarayonlarni qisqaroq va samaraliroq yo‘l bilan amalga oshirishadi. Masalan, «tuproq-is gazi-fotosintez-o‘t-sigir-sut» zanjiridan barcha ortiqcha bo‘limlar olib tashlanadi. Faqat «tuproq-is gazi-sut (qatiq, yog‘, go‘sht)» qoladi. Bunday «qishloq xo‘jaligi» samaradorligi ob-havo va og‘ir mehnat sharoitiga bog‘liq bo‘lmaydi. Uning ishlab chiqarish hajmi oziq-ovqat muammosini birato‘la hal qiladi. Amalga oshish muddati - XXI asrning ikkinchi-to‘rtinchi choraklari.
5. Biologiya. Tirik organizmga atomlar darajasidagi nanoelementlarni kiritish mumkin bo‘ladi. Buning oqibatlari turlicha bo‘lib, yo‘qolib ketgan turlarni tiklashdan tortib, yangi turdagi jonzotlar biorobotlarini yaratishga olib kelishi mumkin. Amalga oshish muddati - XXI asr.
6. Ekologiya. Inson faoliyatining atrof-muhitga ta'sirini to‘liq bartaraf qilish. Bunga birinchidan, ekosferani inson faoliyati chiqindilarini boshlang‘ich xom-ashyoga aylantiruvchi molekulyar robot-sanitarlar bilan to‘ldirish, ikkinchidan esa sanoat va qishloq xo‘jaligini chiqindisiz nanotexnologik usulga o‘tkazish bilan amalga oshirish mumkin. Amalga oshish muddati - XXI asr.
7. Koinotni o‘zlashtirish. Koinot «odatiy» yo‘l bilan emas, balki nanorobotlar orqali o‘zlashtiriladi. Robot-molekulalarning ulkan armiyasi Yer atrofidagi fazoga chiqariladi va uni inson yashashi uchun yaroqli holatga keltiradi. Oy, asteroidlar va yaqin planetalarda inson yashashi uchun kosmik stantsiyalar qurish. Bu hozirda mavjud bo‘lgan usullardan arzon va xavfsiz bo‘ladi.
8. Kibernetika. Hozirda mavjud bo‘lgan planar strukturalardan o‘lchamlari molekular o‘lchamiga teng bo‘lgan hajmiy mikrosxemalariga o‘tish sodir bo‘ladi. Kompyuterlarning ishchi chastotasi teragerts qiymatga etadi. Neyronga o‘xshash elementlardan tuzilgan sxemalar paydo bo‘ladi. Oqsil molekulalaridan tuzilgan xotira hajmi terabaytlarda o‘lchanadigan, saqlash davri uzoq bo‘lgan xotira elementlari paydo bo‘ladi. Inson aqlini kompyuterga «ko‘chirish» mumkin bo‘lib qoladi. Amalga oshish muddati - XXI asrning ikkinchi choragi.
9. Aqlli yashash muhiti. Barcha tashkiliy qismlarga mantiq elementlarini kiritish hisobiga biz yashayotgan atrof-muhit «aqlli» va inson yashashi uchun to‘la qulay bo‘lib qoladi. Amalga oshish muddati - XXI asrdan keyin.
Xulosa o‘rnida taklif
Yuqoridagilardan kelib chiqib, bir qancha amaliy takliflar kiritishni maqsadga muvofiq deb topdik. M. Toirovning davlatimizda «Nanotexnologiya» jurnalini tashkil etish taklifini qo‘llab-quvvatlash lozim. Mamlakatimizning barcha tabiiy-ilmiy va oliy texnika o‘quv yurtlarida kvant mexanikasi o‘quv predmetini davlat ta'lim standartiga kiritish ham foydadan xoli emas. Shuningdek, oliy o‘quv yurtlarining fizika, fizika-texnika, kimyo fakultetlarida «nanotexnologiya» va «nanomateriallar» ta'limining keng yo‘lga qo‘yilishi, bu yo‘nalishlar bo‘yicha bakalavr va magistratura ta'lim bosqichlarining hamda nanotexnologiya kafedralarining tashkil etilishi yurtimizda mazkur sohaning istiqbolini belgilab beruvchi omillardan bo‘lishi, shubhasiz.