CP v2

Tag: Silicis

  • JAV proveržis kvantiniuose lustuose: itin grynas silicis gali sumažinti triukšmą ir klaidas

    JAV proveržis kvantiniuose lustuose: itin grynas silicis gali sumažinti triukšmą ir klaidas

    Kvantinių kompiuterių kūrėjai jau ne vienerius metus susiduria su itin „maža“, bet kritiška problema: atskirų atomų sukeliami magnetiniai signalai lustuose veikia kaip triukšmas ir ardo trapias kvantines būsenas. Dėl to kubitai lengviau praranda informaciją, o klaidų taisymas tampa sudėtingesnis ir brangesnis.

    Skirtingai nei įprasti kompiuteriai, kvantiniai įrenginiai informaciją saugo kubituose, kurie yra ypač jautrūs aplinkai. Net menki pokyčiai medžiagos viduje, pavyzdžiui, branduolinių sukinio savybių turintys izotopai, gali sutrumpinti vadinamąjį koherencijos laiką, kai kubitas išlaiko savo kvantinę būseną.

    Naujas kelias į beveik „tylų“ silicį

    JAV nacionalinių laboratorijų mokslininkai paskelbė apie patentuotą sprendimą, leidžiantį išgauti itin gryną silicio-28 izotopą, kurio grynumas siekia 99,9999 proc. Tokia izotopinė sudėtis svarbi todėl, kad silicio-28 branduolys neturi sukinio, tad teoriškai sukelia mažiau kvantiniams įrenginiams žalingo triukšmo.

    Izotopams atskirti panaudota pažangi elektromagnetinė izotopų separacija, kai atomai rūšiuojami pagal masę. Tačiau vien atskirti izotopą nepakanka: vėliau, perdirbant medžiagą pramonėje, ji gali būti lengvai vėl „užteršta“, todėl reikalinga kontrolė per visą gamybos grandinę.

    Cheminis gryninimas ir sauga

    Kita komandos dalis sukūrė konversijos ir cheminio gryninimo sistemas, kurios praturtintą silicį ir germanį paverčia puslaidininkių pramonei reikalingomis ypač grynomis dujomis. Kalbama apie silaną ir germaną, kurie naudojami itin plonų sluoksnių nusodinimui ant pažangių lustų, įskaitant ir būsimus kvantinius įrenginius.

    Kadangi šios dujos yra pavojingos, procesuose įdiegta automatizuota valdymo ir stebėsenos sistema, nuolat tikrinanti daugybę darbo parametrų. Tai leidžia vienu metu užtikrinti ir saugą, ir išskirtinai aukštą cheminį grynumą, kuris būtinas siekiant sumažinti klaidas kvantiniuose komponentuose.

    Kodėl tai gali būti svarbu rinkai?

    Pramonės požiūriu, tokie izotopiškai gryni pirmtakai gali tapti vienu iš būdų didinti kubitų stabilumą, ilginti jų koherencijos laiką ir mažinti klaidų taisymo naštą. Tai ypač aktualu, nes kvantinių kompiuterių pažanga dažnai remiasi ne vien programiniais algoritmais, bet ir medžiagotyros sprendimais, kurie mažina triukšmą pačiame luste.

    Vis dėlto išlieka esminis klausimas: ar technologiją pavyks patikimai perkelti į masinę gamybą, išlaikant tą patį grynumo lygį ir priimtiną kainą. Būtent mastelio didinimas dažnai tampa riba tarp laboratorinio proveržio ir realaus proveržio puslaidininkių tiekimo grandinėje.

  • Saulės elementų proveržis: superkompiuteris parodė, kad mikroskopiniai defektai gali didinti efektyvumą

    Saulės elementų proveržis: superkompiuteris parodė, kad mikroskopiniai defektai gali didinti efektyvumą

    Vokietijos fizikai, atlikę itin detalias simuliacijas viename galingiausių Europos superkompiuterių, ieškojo, kaip pašalinti saulės elementų sandūrose atsirandančius atominius netobulumus. Tačiau rezultatai nustebino: dalis vadinamųjų defektų ne trukdė, o padėjo perduoti energiją.

    Toks atradimas svarbus, nes dauguma rinkoje naudojamų silicio saulės modulių vidutiniškai paverčia elektra tik apie 22 proc. į krintančios saulės šviesos. Likusi energijos dalis prarandama, dažnai virsta šiluma, o tai mažina našumą ir ilgainiui gali greitinti medžiagų senėjimą.

    Kodėl prarandama tiek energijos?

    Viena pagrindinių problemų yra ta, kad silicis ribotai panaudoja labai didelės energijos fotonus, pavyzdžiui, violetinę šviesą. Dalį jų energijos medžiaga ne paverčia elektra, o išspinduliuoja kaip šilumą, todėl krenta realus naudingumas.

    Dėl to mokslininkai ieško sprendimų, kaip geriau „išnaudoti“ aukštesnės energijos šviesą. Viena kryptis yra hibridinės struktūros, kai ant silicio sluoksnio formuojamos itin plonos organinių puslaidininkių dangos.

    Tetracenas ir viengubos būsenos skilimas

    Tyrime daug dėmesio skirta tetracenui, organiniam puslaidininkiui, galinčiam dalyvauti procese, vadinamame viengubos būsenos skilimu. Jo esmė ta, kad sugėrus vieną didelės energijos fotoną, sužadinimas gali „pasidalinti“ į du mažesnės energijos sužadinimus, kuriuos teoriškai lengviau panaudoti silicyje.

    Ilgą laiką buvo manyta, kad sandūra tarp tetraceno ir silicio turi būti kuo tobulesnė, nes bet koks netolygumas gali sutrikdyti sužadinimų perdavimą. Todėl tyrėjai dažnai siekė maksimaliai „švarių“ ir tvarkingų sąsajų.

    Netikėta išvada: defektai gali padėti

    Paderborno universiteto komanda, pasitelkusi ab initio molekulinės dinamikos simuliacijas, analizavo, kaip realiomis sąlygomis elgiasi atomai ir elektronai tetraceno bei silicio sandūroje. Tokie skaičiavimai yra itin imlūs resursams, todėl buvo vykdomi HLRS „Hawk“ superkompiuteryje Štutgarte.

    Simuliacijos parodė, kad vadinamieji silicio kabančieji ryšiai, paprastai laikomi nepageidaujamu reiškiniu elektronikoje, šiuo atveju gali palengvinti sužadinimų perdavimą per sandūrą. Tyrimo rezultatai paskelbti žurnale „Physical Review Letters“.

    „Mūsų darbas gali būti įdomus platesnei tyrėjų bendruomenei, nes parodo kitą kryptį, kaip galima projektuoti tokias sistemas“, – sakė pagrindinis straipsnio autorius Marvinas Krenzas.

    Mokslininkai pabrėžia, kad tai nėra paruoštas sprendimas komerciniams moduliams, tačiau tai keičia požiūrį: netobulumas gali tapti projektuojamu įrankiu. Kitas žingsnis būtų sistemingai ieškoti tokių sandūrų konfigūracijų, kur „defektų“ struktūra būtų valdoma ir pakartojama gamyboje.

    Jei viengubos būsenos skilimo principą pavyktų stabiliai pritaikyti praktikoje, teorinis efektyvumo prieaugis galėtų būti reikšmingas. Vis dėlto lemiamu veiksniu taps tai, ar skaitmeniniai rezultatai bus patvirtinti laboratoriniais prototipais ir ar technologija bus suderinama su masine gamyba.