1

Lampy próżniowe. Komputery lampowe – 15 kW – zasilanie bloku mieszkalnego.Tranzystor – 16.12.1947 – Wiliam Shockley, John Bardeen, Walter Brattain z Bell Telephone Laboratories – tranzystor ostrzowy, 1954 – pierwsze radio tranzystorowe(Regency), 1956 – Nagroda Nobla. Zasilanie 100 razy mniejsze.Układy scalone – matryca fotograficzna, płytka półprzewodnika pokryta światłoczułąemulsją, naświetlanie UV, chemiczne trawienie, pakowanie w obudowę: kartapamięci do aparatu cyfrowego (znaczek pocztowy) – miliard tranzystorów i tylkodziewięć styków elektrycznych.Amerykanie, budując bombę atomową korzystali z usług rachmistrzów.Gordon Moore, założyciel firmy Intel: liczba tranzystorów, które można upakowaćna jednostce powierzchni układu scalonego, będzie się podwajać co 1,5 roku –prawo Moore’a. Mikroprocesor – kilka miliardów tranzystorów. Prawo to przestanieobowiązywać w 2009 r.Komputery wykorzystujące do pracy DNA, światło, zjawiska kwantowe.Bomba E – urządzenie wysyłające impuls elektromagnetyczny, które niszczy układyscalone zbudowane z tranzystorów – cofnięcie ludzkości o 100 lat.

Tak było, jak będzie?

2

Elektronika jest dziedziną techniki zajmującą się sterowaniem elektronów w celu przesyłania informacjiFotonika jest dziedziną techniki zajmującą się sterowaniem fotonów w tym samym celuOptoelektronika zajmuje się budową źródeł i detektorów światłageneracją światła i jego detekcją

Bariera elektroniki 300 GHz∼ . Brak generatora promieniowania i odbiornika dla wyższych częstotliwości niż 300 GHz.Elektron ma zbyt dużą masę dla tak wysokich częstotliwościNaturalny kierunek zmian : przejście w pasmo optyczne fal elektromagnetycznychFoton nie ma masy spoczynkowejDokąd zmierza elektronika?Kiedy pojawią się komputery kwantowe?Gdzie jeszcze znajdzie zastosowanie spintronika?Kiedy w tranzystorach będzie płynął prąd spolaryzowany?Czy można bezpiecznie przesyłać informacje bez obawy, że szybkiekomputery rozszyfrują ich kod?Czy da się oddzielić optykę od optoelektroniki?Czy granica miniaturyzacji układów elektronicznych przestanie podlegaćprawu Moore’a już w 2009 r?

Quo us que?

3

Elektronika diamentowaMikroukłady elektroniczne z diamentu pozwolą budować komputery kwantowe działające w temperaturze pokojowej – diamentowa spintronika. Elektrony mają ładunek i spin.

Diament jest twardy, przezroczysty dla ultrafioletu, doskonały przewodnik ciepła. Diament (izolator) może być półprzewodnikiem (odpowiednio domieszkowany – krzemem przyszłości. Detekcja i generacja promieniowania UV (diody), mikrofaloweukłady elektroniczne wysokiej mocy. Mikroukłady spintroniczne – komputery kwantoweoraz superbezpieczne układy telekomunikacyjne.

Spintronika – dziedzina elektroniki, w której wykorzystuje się ładunek i spin elektronu. Twarde dyski z głowicami do odczytu danych – detekcja domen magnetycznych dzięki zjawisku gigantycznego magnetooporu. MRAM – magnetooporowa pamięć RAM – dane nie przepadają po wyłączeniu komputera: Motorola (Freescale Semiconductor). Dzięki tej pamięci komputer będzie gotowy w ułamku sekundy do dalszej pracy w konfiguracji, w jakiej został wyłączony. Tranzystory spinowe – spin steruje przepływem prądu – komputery z układami logicznymi o modyfikowanej na bieżąco architekturze.

4

Gigantyczny magnetoopór (GMR z ang. Giant MagnetoResistance) – zjawisko kwantowomechaniczne polegające na powstawaniu bardzo dużego (olbrzymiego) magnetooporu na cienkich warstwach wielokrotnych F/(NF/F)xN (N-liczba powtórzeń dwuwarstwy, F-ferromagnetyk, NF-diamagnetyk), odkryte przez grupę badawczą Baibicha w 1988 r. Wraz z odkryciem tego zjawiska rozpoczęła się era elektroniki spinowej (spintroniki). Efekt GMR jest związany z różnym prawdopodobieństwem rozproszenia elektronów ze spinem ↑ i tych ze spinem ↓, co związane jest z różną gęstością stanów elektronowych D na poziomie energii Fermiego, czyli poziomu, w pobliżu którego znajdują się stany kwantowe, do których mogą zgodnie z zakazemPauliego zostać rozproszone elektrony. Gęstość stanów ze spinem ↑ na poziomie Fermiego jest z reguły mniejsza, niż dla elektronów ze spinem antyrównoległym, tzn. D↑(EF)<D↓(EF), a stąd i opór jest mniejszy ρ↑<ρ↓. Pomijając rozpraszanie elektronów ze zmianą spinów, możemy traktować rozpraszanie elektronów ze spinem ↑ i ↓ niezależnie (patrz Rys. 1).

Rys. 1: Rozszczepienie gęstości stanów elektronowych D na poziomie energii Fermiego występujące w niektorych metalach np. Fe, Co, Ni

5

Dla równoległej konfiguracji kierunków namagnesowania w warstwach ferromagnetycznych (↑↑) prawdopodobieństwo rozpraszania dla elektronów ze spinem ↑ i ↓ są różne. Elektron ze spinem ↑ jest słabo rozpraszany zarówno na pierwszej, jak i drugiej warstwie, natomiast elektron ze spinem ↓ jest silnie rozpraszany na obu warstwach.Modelowo układ ten można przedstawić jako zespół oporników połączonych równolegle, co przedstawiono na rys.2.

Całkowity opór takiego układu jest zdeterminowany przez opór elektronu ze spinem ↑, czyli jest mały. Dla konfiguracji antyrównoległej (↑↓) prawdopodobieństwo rozpraszania elektronów dla obu spinów jest równe. Elektron ze spinem ↓ jest silnie rozpraszany na pierwszej warstwie i słabo rozpraszany na drugiej, natomiast elektron ze spinem ↑ jest rozpraszany odwrotnie. Każdy kanał może być reprezentowany przez jeden mały i jeden duży opornik. W rezultacie całkowity opór dla konfiguracji antyrównoległej jest większy niż dla konfiguracji równoległej.

Rys. 2: Schemat rozpraszania elektronów w zależności od spinu a) dla konfiguracji równoległej b) dla konfiguracji antyrównoległej wraz z układami zastępczych

oporów.

6

Reasumując, jeśli zewnętrznym polem magnetycznym wywołamy zmianę względnych kierunków namagnesowania przechodząc od konfiguracji ↑↓ do konfiguracji ↑↑ to zaobserwujemy efekt zmniejszenia oporu,czyli zjawisko GMR.Warunkiem koniecznym na wystąpienie zjawiska GMR w układzie warstwowym typuF/NF/F jest zmiana pod wpływem pola magnetycznego kąta φ między kierunkami namagnesowania subwarstw ferromagnetycznych, co powoduje zmianę oporu układu wg poniższego wzoru:

R(f)=Ro+R(1-cos()) gdzie: R0 – wartość oporu dla φ=0°

ΔR – zmiana oporu dla φ=180°. Następnym warunkiem jest to, aby elektron oddziaływał z oboma warstwami ferromagnetycznymi, dlatego grubość subwarstw musi być mniejsza niż średnia droga swobodna elektronu (mfp). Efekt GMR możnazaobserwować nie tylko w wielowarstwach, ale także w zaworach spinowych i pseudozaworach spinowych. Zjawisko jest wykorzystywane w głowicach odczytu twardych dysków i magnetycznych pamięciach MRAM. Pierwszy raz zostało zastosowane w urządzeniu komercyjnym przez IBM w 1997 roku. Za niezależne odkrycieefektu GMR Francuz Albert Fert i Niemiec Peter Grunberg otrzymali 9 października 2007 roku Nagrodę Noblaz dziedziny fizyki. Źródło: "http://pl.wikipedia.org/wiki/Gigantyczny_magnetoopor"

Rys. 3: Magnetoopór trzech warstw wielokrotnych typu Fe/Cr zmierzony w temperaturze 4,2 K.

7

Wysokie napięcie przebicia, Tt=4000oC, przezroczystość, wysokiwspółczynnik załamania światła – 2,4,szkło-1,5, biozgodny. Syntetyczne Diamenty wytwarza się metodami HPHT i BARS

8

Półprzewodnik typu n – domieszkowanie borem (kolor błękitny), typu p – domieszkowanie S lub Li. Duża prędkość nośników – dziur i elektronów – pozwala budować przyrządy wysokoczęstotliwościowe (THz).

W 2005 r. wytworzono (Element Six) diodę Schottky’ego o szybkim czasie przełączania, zdolną do pracy przy napięciu 1700 V i gęstości natężenia prądu 10 A/cm2.

9

10

Układy spintroniczne – spiny dużej liczby elektronów ustawione jednakowo – elektronyo spolaryzowanych spinach. Prąd spinowy – jak spolaryzowana wiązka światła.

Kwantowe układy spintroniczne – sterowanie pojedynczymi elektronami – układy dokwantowego przetwarzania informacji. Qubity – bity kwantowe mogące być jednocześnie zerami i jedynkami. Superpozycje qubitów będą wykorzystywane w komputerach kwantowych do obliczeń równoległych – przeszukiwanie baz danych,rozkładanie wielkich liczb na czynniki pierwsze – narzędzie kryptograficzne, i do tworzenia modeli innych układów kwantowych – postęp w fizyce, chemii, biologii.

Poszukiwanie układu do przechowywania i przetwarzania informacji kwantowej: spinyjonów pułapkowanych za pomocą pól elektromagnetycznych (wysoka próżnia, ochronaprzed zaburzeniami zewnętrznymi), układy o strukturze krystalicznej (zmiana i stero-wanie pojedynczymi spinami, kwantowe bramki logiczne, czas utrzymywania informacjiprzez spiny).

Cienkie diamentowe warstwy – osadzanie chemiczne z fazy gazowej (d=kilkaset nm, S~cm2 – wytwarzanie pary cząsteczek zawierających węgiel (metan), podział cząstekna atomy – silne promieniowanie mikrofalowe, osadzanie węgla na krzemie- ziarnadiamentu ~nm-m

11

Eg=5,5eVdla krzemu 1,1eV

12

Domieszki – centra N-V emitują pojedyncze fotony – kryptografia kwantowa. Informacjęprzesyła się fotonami, z których każdy zawiera 1 qubit. Przekaz jest bezpieczny, bonie można przechwycić fotonów bez zaburzenia qubitów.Spin elektronów centrum N-V można spolaryzować za pomocą światła w temperaturzepokojowej. Fluorescencja jednego ze stanów spinu jest jaśniejsza – odczyt stanu spinuprzez pomiar natężenia fluorescencji. Cechy kwantowe spiny centrum N-V zachowująnawet w temperaturze pokojowej (1ms) (sprzężenie spin-orbita, oddziaływanie ze spinami jąder).Stan spinu centrum N-V można zmienić w ciągu 10ns. W ciągu 1ms da się wykonać100 000 operacji. Częstość błędów: 1:100000 <1:10000.W kryptografii potrzebny jest ciąg pojedynczych qubitów. W obliczeniach kwantowych –qubity musza ze soba oddziaływać, tworząc nowe. W zwykłych komputerach bramkilogiczne przetwarzaja pary bitów wejściowych na nowe bity wyjściowe. W komputerachkwantowych, kwantowe układy logiczne działają podobnie, ponadto uwzględniająkwantowe superpozycje bitów

13

Gdy centrum N-V sąsiaduje z innym atomem azotu, wielkość rozszczepienia stanów 0i 1, zależy od stanu jego spinu – bramka CNOT. Bramka taka działając na pary qubitów oraz obracajac pojedyncze qubity, pozwala wykonać dowolne operacjekwantowe na dowolnej liczbie qubitów.

14

Oddziaływania o większym zasięgu między spinami centrów N-V w diamencie możnauzyskać stosując jako nośniki fotony. Kieruje się je do drugiego centrum falowodamiumieszczonymi na tym samym podłożu co diament. Włączenie centrów N-V w strukturyzwane wnękami optycznymi, w których światło tworzy fale stojące zwiększaoddziaływanie spinu z fotonami. Wnęki takie wytwarza się w krysztale fotonicznym.Metodą implantacji udaje się umieszczać pojedyncze domieszki w określonychmiejscach diamentu. Podgrzanie go do 850oC powoduje migrację luk w sieci diamentu.Gdy luka napotyka atom azotu, pozostaje w jego sąsiedztwie.Prądy spinowe: oddziaływanie spinowo-orbitalne – spinowe zjawisko Halla

15

GaAs – 30KZnSe – 300KPółprzewodniki spinowe

Literatura:Świat Nauki 11 (2007) 36Świat Techniki 11 (2005) 18