1 NOWE NIEZWYKŁE MATERYALY Mikołaj Siergiejew Instytut Fizyki US, Zakład Fizyki Ciała Stałego

2 Materiały, w najbardziej ogólnym sensie jest to surowiec w postaci pierwotnej lub sztucznie wytworzony, z którego wytwarza się różne produkty. Człowiek od zarania dzie- jów wykorzystywał, a z czasem przetwarzał, materiały dla zdobycia pożywienia, zwiększenia swego bezpieczeństwa i zapewnienia sobie odpowiedniego poziomu życia. Jakikolwiek postęp techniczny jest niemożliwy bez stałe- go ulepszania materiałów i tworzenia nowych. Można bez przesady powiedzieć, że stan wiedzy o materiałach był zawsze "indykatorom" rozwoju technicznego i cywiliza- cyjnego, a najbardziej rozwinięte kraje świata przodują również w rozwijaniu, wytwarzaniu i stosowaniu nowych materiałów.

3 Kwazikryształy Daniel Shechtman – Nagroda Nobla – 2011 rok kwazikryształkryształszkło

4 Kwazikryształy Struktura kwazikryształu Ag - Al W kwazikryształach występuje jak w kryształach, uporządkowanie dalekiego zasięgu, ale nie istnieje sieć krystaliczna. W kwazikryształach występują niekrysztalograficzne osie symetrii: 5-, 8-, 10- lub 12-krotna. Kwazikryształy wykazują słabe przewodnictwo cieplne i elektryczne, natomiast wykazują wysoką twar - dość i odporność na czynniki che - miczne i korozję. Rozmiary kwazikryształów 5 m

5 Półprzewodniki Półprzewodnikami są izolatory, których jednak prze – wodnictwo elektryczne można indukować wprowad- zając domieszki – atomy donorowe albo akceptorowe

6 Złącze p - n p n e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- H2OH2O H2OH2O H2OH2O

7 Sterownie prądem – diody i tranzystory p n Warstwa zaporowa p n p Tranzystor J.Bardeen i inne – Nagroda Nobla – 1956 rok

8 Złącze p - n i sztuczne atomy + e-e- ++ e-e- e-e- e-e- + + E = 0E > 0 E 2 1

9 Sztuczne molekuły i kryształy + e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e- + + e-e- e-e- + e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e e-e- ++ e-e- e-e- e-e- + +

10 Nanoświat

11 Struktury półprzewodnikowe Pasma przewodnictwa Pasma walencyjne Bariera kwantowaStudnia kwantowa

12 Efekt tunelowania rezonansowego Rezonansowa struktura o podwójnej barierze Badanie przepływu prądu przez strukturę o podwójnej barierze potencjalnej pozwoliło odkryć nowe zjawisko fizyczne – tunelowanie rezonansowe

13 Kwantowe zjawisko Halla Klaus von Klitzing – Nagroda Nobla – 1985 rok R.Laughlin i inne – Nagroda Nobla – 1988 rok Dla objętościowego półprze- wodnika oporność xy ~V y /J x rośnie liniowo z indukcją pola magnetycznego, natomiast xx ~V x /J x pozostaje stałe. Dla dwuwymiarowego gazu elektronowego obserwuje się odmienne zachowanie xy = (h/e 2 )/n = 25,813/n (k ) n – liczba całkowita (1985 r); n – liczba ułamkowa (1988 r)

14 Supersieci Zhores Alferov i inne – Nagroda Nobla – 2000 r Obszar ujemnego różniczkowego oporu

15 Struktury ferromagnetyczne A.Fert, P.Grünberg – Nagroda Nobla – 2007 r. Gigantyczny magnetoopór. Zjawisko to jest wykorzysty- wane w spintronice (zawo- rach spinowych); główicach odczytu twardych dysków oraz magnetycznych pamię- ciach MRAM,......

16 Prawo Kulomba a nanoświat Q1Q1 Q2Q2 r |F| = kQ 1 Q 2 /r 2 R E = Q 2 /2C C= 4 0 R Q

17 Bomba kulombowska h s D D D D D T ~ 3 MeV reakcja termojądrowa D + D 3 He + n (2,54 MeV) D Nanoklaster z atomów deuteru 2 H, D D

18 Tranzystor jednoelektronowy Gdy energia kinetyczna elektronu jest mniejsza niż e 2 /2C siła kulombowska od- pychania elektronu i nanokuli metalicznej blokują przejście elektronu przez kulę – prąd nie płynie. Zjawisko nazywa się blokadą kulombowską

19 Nanocząstki – fulereny (C 60, C 70 ) H.Kroto i inne – Nagroda Nobla – 1996 rok Posiadają własności nadprze- wodzące i półprzewodnikowe. Posiadają unikalną właściwość zamykania w ich wnętrzu in- nych cząstek. Należą do związ- ków słabo rozpuszczalnych......

20 Nanorurki węglowe Najwytrzymalsze i najsztywniejsze ze znanych materiałów. Tworzą idealne (prawie bez tarcia) atomowe łożyska, które wykorzystują w nanomechaniz- mach. Znakomite przewodniki ciepła i prądu....

21 Grafen – jednoatomowa warstwa grafitu A.Gejm, K.Novosiołov–Nagroda Nobla–2010 r. Bardzo dobry przewodnik ciepła i prądu elektrycznego. Bardzo elas- tyczny - można bez szkody rozciąg- nąc o 20%. Jest prawie całkowity przezroczysty......

22 LEFT-HANDED MEDIUM Własności optyczne materiału określa współczynnik załama- nia światła Viktor Veselago udowodnił, że z regułami elektrodynamiki nie jest sprzeczne założenie, że < 0 i < 0, wtedy Materiały z n < 0 otrzymali nazwę :Left - Handed Medium – leworęczne materiały. Optyka tych metamateriałów jest zupełnie inna niż zwykłych materiałów i powstaje możliwość wytworzyć czapkę niewidkę Metamateriały ??? - Nagroda Nobla – ??? r.

23 Prawo Snelliusa i współczynnik n The beam path at refraction on the boundary of vacuum and substance with refractive index n. 1-incident beam 2-refracted beam 3-refracted beam on n < 0 4-refracted beam on n > 0 n = sin /sin

24 Soczewki z LHM Soczewki z LHM : 1. Soczewka skupiająca dwuwypukła staje się soczewką rozpraszającą 2. Soczewka rozpraszająca dwuwklęsła staje się soczewką skupiającą

25 Odbicie światła w LHM W ośrodku z n<0 (LHM ośrodek) światło po odbiciu od przeszkody przyciągałoby (a nie odpychało) przeszkodę ku źródłowi światła! Przeszkoda

26 Metamateriały z n < 0

27 Krzem porowaty Nici kwantowe 1 – 5 nm Anoda z krzemu porowatego pochłania znacznie więcej jonów podczas pro- cesu ładowania niż akumulatory litowe. Własności fotoluminescencyjne poz- walają zintegrować przyrządy mikro- i optoelektryczne na jednej płytce.

28 Kryształy fotonowe Zasada działania zwykłych światłowodów – wielokrotne całkowite wewnętrzne odbicie. W światłowodach z kryształów fotonowych mechanizm rozchodzenia się światła inny, co pozwala zginać światłowód o dowolny kąt bez strat energii

29 Nanokomputery kwantowe 16 – kubitowy procesor komputera kwantowego Orion

30 Zastosowania T=1000 C NanożołnierzMateriał izolacyjny

31 Dziękuję za uwagę

32