Tak było, jak będzie? Lampy próżniowe. Komputery lampowe – 15 kW – zasilanie bloku mieszkalnego. Tranzystor – 16.12.1947 – Wiliam Shockley, John Bardeen,

Prezentacja na temat: "Tak było, jak będzie? Lampy próżniowe. Komputery lampowe – 15 kW – zasilanie bloku mieszkalnego. Tranzystor – 16.12.1947 – Wiliam Shockley, John Bardeen,"— Zapis prezentacji:

1 Tak było, jak będzie? Lampy próżniowe. Komputery lampowe – 15 kW – zasilanie bloku mieszkalnego. Tranzystor – – 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 światłoczułą emulsją, naświetlanie UV, chemiczne trawienie, pakowanie w obudowę: karta pamięci do aparatu cyfrowego (znaczek pocztowy) – miliard tranzystorów i tylko dziewięć styków elektrycznych. Amerykanie, budując bombę atomową korzystali z usług rachmistrzów. Gordon Moore, założyciel firmy Intel: liczba tranzystorów, które można upakować na jednostce powierzchni układu scalonego, będzie się podwajać co 1,5 roku – prawo Moore’a. Mikroprocesor – kilka miliardów tranzystorów. Prawo to przestanie obowiązywać w 2009 r. Komputery wykorzystujące do pracy DNA, światło, zjawiska kwantowe. Bomba E – urządzenie wysyłające impuls elektromagnetyczny, które niszczy układy scalone zbudowane z tranzystorów – cofnięcie ludzkości o 100 lat.

2 Elektronika jest dziedziną techniki zajmującą się sterowaniem elektronów w celu przesyłania informacji Fotonika jest dziedziną techniki zajmującą się sterowaniem fotonów w tym samym celu Optoelektronika zajmuje się budową źródeł i detektorów światła generacją 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 częstotliwości Naturalny kierunek zmian : przejście w pasmo optyczne fal elektromagnetycznych Foton nie ma masy spoczynkowej Quo us que? Dokąd 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 szybkie komputery rozszyfrują ich kod? Czy da się oddzielić optykę od optoelektroniki? Czy granica miniaturyzacji układów elektronicznych przestanie podlegać prawu Moore’a już w 2009 r?

3 Elektronika diamentowa
Mikroukłady 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
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 zakazem Pauliego 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. Rys. 2: Schemat rozpraszania elektronów w zależności od spinu dla konfiguracji równoległej b) dla konfiguracji antyrównoległej wraz z układami zastępczych oporów. 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.

6 Rys. 3: Magnetoopór trzech warstw wielokrotnych typu Fe/Cr zmierzony w
temperaturze 4,2 K. 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 typu F/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+DR(1-cos(f)) 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 można zaobserwować 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 odkrycie efektu GMR Francuz Albert Fert i Niemiec Peter Grunberg otrzymali 9 października 2007 roku Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki. Źródło: "

7 Wysokie napięcie przebicia,
Tt=4000oC, przezroczystość, wysoki współczynnik 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 – elektrony
o spolaryzowanych spinach. Prąd spinowy – jak spolaryzowana wiązka światła. Kwantowe układy spintroniczne – sterowanie pojedynczymi elektronami – układy do kwantowego 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: spiny jonów pułapkowanych za pomocą pól elektromagnetycznych (wysoka próżnia, ochrona przed zaburzeniami zewnętrznymi), układy o strukturze krystalicznej (zmiana i stero- wanie pojedynczymi spinami, kwantowe bramki logiczne, czas utrzymywania informacji przez spiny). Cienkie diamentowe warstwy – osadzanie chemiczne z fazy gazowej (d=kilkaset nm, S ~cm2 – wytwarzanie pary cząsteczek zawierających węgiel (metan), podział cząstek na atomy – silne promieniowanie mikrofalowe, osadzanie węgla na krzemie- ziarna diamentu ~nm-mm

11 Eg=5,5eV dla krzemu 1,1eV

12 Domieszki – centra N-V emitują pojedyncze fotony – kryptografia kwantowa. Informację
przesyła się fotonami, z których każdy zawiera 1 qubit. Przekaz jest bezpieczny, bo nie można przechwycić fotonów bez zaburzenia qubitów. Spin elektronów centrum N-V można spolaryzować za pomocą światła w temperaturze pokojowej. Fluorescencja jednego ze stanów spinu jest jaśniejsza – odczyt stanu spinu przez pomiar natężenia fluorescencji. Cechy kwantowe spiny centrum N-V zachowują nawet 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 wykonać operacji. Częstość błędów: 1: <1:10000. W kryptografii potrzebny jest ciąg pojedynczych qubitów. W obliczeniach kwantowych – qubity musza ze soba oddziaływać, tworząc nowe. W zwykłych komputerach bramki logiczne przetwarzaja pary bitów wejściowych na nowe bity wyjściowe. W komputerach kwantowych, kwantowe układy logiczne działają podobnie, ponadto uwzględniają kwantowe superpozycje bitów

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

14 Oddziaływania o większym zasięgu między spinami centrów N-V w diamencie można
uzyskać stosując jako nośniki fotony. Kieruje się je do drugiego centrum falowodami umieszczonymi na tym samym podłożu co diament. Włączenie centrów N-V w struktury zwane wnękami optycznymi, w których światło tworzy fale stojące zwiększa oddziaływanie spinu z fotonami. Wnęki takie wytwarza się w krysztale fotonicznym. Metodą implantacji udaje się umieszczać pojedyncze domieszki w określonych miejscach 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 – 30K ZnSe – 300K Półprzewodniki spinowe Literatura: Świat Nauki 11 (2007) 36 Świat Techniki 11 (2005) 18