Нобелевское наследие: ученые СПбГУ продолжают работу над квантовыми технологиями для микроэлектроники

Дата публикации: 16 октября 2023

Ученые лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ создают и изучают новые материалы для микроэлектроники: источники одиночных фотонов, эффективные светодиоды, солнечные элементы, лазеры, нанопьезогенераторы, а также интегрируют их с кремниевой платформой. Все эти достижения — продолжение работы по совершенствованию квантовых технологий для микроэлектроники, заложенной выпускником СПбГУ, нобелевским лауреатом по химии Алексеем Екимовым. Достижения лаборатории ее руководитель Родион Резник представил в качестве приглашенного докладчика на конференции APMAS 2023. 

4 октября стало известно, что выпускник Ленинградского (Санкт-Петербургского) государственного университета 1967 года Алексей Екимов вместе с американскими учеными Мунги Бавенди и Луисом Брюсом стал лауреатом Нобелевской премии по химии за открытие и исследование квантовых точек. Алексей Екимов стал девятым нобелевским лауреатом в истории СПбГУ.

В лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций, созданной в 2022 году на базе СПбГУ (кафедра физики твердого тела), продолжают эту работу, изучая перспективы создания новых материалов в квантовых приложениях: светодиодах, транзисторах, солнечных батареях, лазерах, нанопьезогенераторах и других. Такие материалы создаются методом молекулярно-пучковой эпитаксии. В процессе создания пучок молекул паров или атомов нужного материала направляется на поверхность пластины, которая находится в условиях сверхвысокого вакуума. Взаимодействие молекул с поверхностью пластины вызывает их конденсацию и образование упорядоченной кристаллической структуры на поверхности. Таким образом, на поверхности пластины постепенно формируются наноматериалы с заданными структурными и электронными свойствами.

«Такой метод позволяет решать самый широкий спектр задач. С его помощью мы можем получать высококачественные наноструктуры различного состава и геометрии с заранее заданными свойствами. Это дает возможность создавать материалы будущего для приборов нового поколения», — рассказал руководитель лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Родион Резник.

Например, ученые могут создавать источники одиночных фотонов, которые востребованы для приложений в области квантовых коммуникаций. Кроме того, с помощью одиночных фотонов можно передавать информацию, которую невозможно перехватить. Важно отметить, что источники одиночных фотонов перспективны для создания кубитов в квантовых компьютерах — компьютерах будущего с высокой скоростью вычислений.

«Мы создали InGaAs квантовые точки в теле AlGaAs нитиевидных нанокристаллов. Это уникальное исследование по созданию квантового соединения внутри другого наноразмерного объекта на основе этих материалов. В отличие от других методов создания квантовых точек в нашем случае мы можем строго управлять их размерами и положением, а следовательно, и их свойствами. Более того, возможность манипулировать одиночными нитевидными нанокристаллами позволяет нам делать то же самое и с квантовыми точками, находящимися внутри», — сказал Родион Резник.

Еще один пример структур, исследуемых в лаборатории, — азотосодержащие наноструктуры. На их основе создаются прототипы эффективных светодиодов в проблемных на сегодняшний день «зеленой» и «красной» областях. Эти же структуры способны разлагать воду на водород и кислород для получения экологически чистого водородного топлива.

Другая проблема, которую могут решить в лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ, — интеграция с кремниевой платформой оптоэлектронных приборов: транзисторов, лазеров и т. д. Структуры для создания таких приборов синтезируют на дорогих пластинах и потом переносят на кремний, что является непростым и дорогостоящим процессом. Ученые из СПбГУ же разработали технологию, позволяющую выращивать такие структуры на поверхности кремния.

Для информации
Помимо лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ, квантовыми технологиями в Университете занимается лаборатория оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ, созданная по мегагранту Правительства РФ в 2011 году.

Сегодня лабораторией оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ руководит профессор СПбГУ Алексей Кавокин, один из самых известных в мире ученых в данной области. Он также возглавляет группу квантовой поляритоники в Российском квантовом центре, является профессором Университета Саутгемптона (Великобритания), руководит Международным центром поляритоники в Университете Вестлейк в Китае.

Научная группа лаборатории предсказала, а после в 2018 году подтвердила экспериментально существование бозе-эйнштейновской конденсации экситонов и экситонных поляритонов при комнатной температуре, что позволило создать поляритонные лазеры. Они потребляют в несколько раз меньше энергии, чем традиционные полупроводниковые лазеры, к тому же на основе поляритонных лазеров можно создавать кубиты — базовые элементы квантовых компьютеров будущего. Эти технологии вносят существенный вклад в развитие квантовых вычислительных систем.

Пресс-служба и сайт СПбГУ spbu.ru

Поделиться: