На сайте, посвященном новостям нанотехнологии, www.nanotech-now.com появилось интервью с автором книги «Matter as Software» Уиллом Мак Карти (Will McCarthy). Интервью достаточно интересное и затрагивает многие вопросы наноэлектроники, поэтому мы решили перевести его в полном объеме и добавить свои комментарии. Интервьюировал Rocky Rawstern, редактор www.nanotech-now.com.

«Тонкий диск сверхчипа (ориг. wellstone) внутри глазного яблока или в составе контактных линз может затемняться, защищая сетчатку от яркого света. Он может также работать как "встроенный дисплей», проектируя голографическое изображение на сетчатку. Пьезоэлектрический сверхчип в ухе может служить приемо-передатчиком звуковых волн, облегчая жизнь глухонемым… («Matter as Software»)"

Можете ли вы дать читателям объяснение терминов «квантовая точка», «искусственный атом», а также, как они могут быть использованы для создания «программируемой материи»?

Квантовая точка – это электронное устройство, способное «захватывать» электроны и удерживать их в малом пространстве (см. рис. 1 а, б). Электроны при этом ведут себя как отдельные стоячие волны, так же, как они ведут себя в атомах. «Искусственный атом» – электронное облако, удерживаемое вышеуказанным образом. «Искусственный атом», в отличие от обыкновенных, не имеет ядра, однако его свойства в целом схожи с обычным атомом. Если из большого количества «искусственных атомов» произвести bulk-структуру (объемную структуру) по типу кристаллической решетки полупроводника, то новый материал будет иметь другие свойства. Так, такой «полупроводник» может вести себя и как металл, и как диэлектрик. При этом такие характеристики как цвет, прозрачность, теплопроводность и магнитные свойства вещества также могут изменяться в реальном времени.

Чем описанные вами выше квантовые точки отличаются от нанокристаллов-квантовых точек, которые используются сейчас в качестве «оптических зеркал»?

«Квантовая точка» – такой же термин, как и «ключ», который описывает большой класс разнообразных устройств, характеризующихся одним и тем же назначением. Полупроводниковые нанокристаллы (см. рис. 2) – хороший метод для захвата электронов, так как химики могут выращивать их, добиваясь высокой точности. В полученном химиками растворе будут моли (1 моль – 6.23х1023 молекул) этих одинаковых кристаллов. Их выгодно использовать в оптических устройствах благодаря их свойству поглощать белый свет, а излучать определенный яркий свет. Они нашли использование как в биологии, заменяя флуоресцентные метки, так и в оптических приборах – лазерах и т.д. С их помощью, например, возможно создание сверхмалых лазеров, способных оперировать органеллы живых клеток.

Рис. 1а Германиевая квантовая точка на кремниевой основе Si 001 (фотография получена при помощи электронного сканирующего микроскопа) (рисунок из исследовательской группы HP)

Рис. 1б Полупроводниковый конический фотонный канал в качестве квантовой точки как видим, квантовые точки – широкий класс разных устройств

«Электроны, захваченные квантовыми точками, ведут себя так же, как если бы они находились в обычном атоме, даже если в "искусственном атоме» нет ядра. Какой атом представляет такой набор электронов, зависит от их количества в квантовой точке. Удивительно, правда?… («Matter as Software») ", – таким образом, различными наборами электронных ловушек, создается искусственная программируемая материя…

Рис. 2 Размеры нанокристалла-квантовой точки

Но это только один тип квантовой точки. Вы также можете поймать на поверхности металлической частицы большое количество электронов, но свойства этой системы будут резко отличаться от свойств описанной мной квантовой точки. Фуллерены и нанотрубки также могут послужить основой для создания подобных квантовых точек. Но я больше склоняюсь к представлению квантовых точек как системы электромагнитных полей, удерживающих электроны внутри слоеного полупроводника, т.н. квантовой стены. Это хороший метод, так как позволяет контролировать количество электронов, попавших в ловушку, с помощью изменения напряжения, подводимого к металлическим электродам. Фактически это означает изменение атомного числа искусственного атома. Вот здесь и можно применить термин «программируемая материя», т.к. такой процесс легко можно контролировать с помощью современной микроэлектроники, создавая материалы, которых в природе не существует.

Как ваше определение «программируемой материи» отличается от того, которое используют при построении клеточных автоматов?

Клеточный автомат – компьютерная программа, которая моделирует поведение и развитие региона программируемых клеток (ячеек), поведение которых зависит от состояния соседних клеток (например, математическая игра Life – прим. переводчика). Этот метод моделирования полезен, например, при исследованиях механики жидкостей. Термин «программируемая материя» используется, конечно, для описания этих симуляций, но описываемая «материя» символична и не существует нигде, кроме виртуального пространства. Можно сказать, что это виртуальная программируемая материя.

Программируемые же вещества, использующие свойства квантовых точек, однако, возможны. На сегодняшний день существует очень маленькое количество подобных устройств (квантовых точек) в лабораториях по всему миру. И изменение свойств реальных программируемых веществ не виртуальное – а реальное.

Предвидите ли вы интеграцию молекулярной нанотехнологии (МНТ) в производство квантовых точек?

Для того, чтобы квантовые системы вели себя как атомы при комнатной температуре, необходимо удерживать электроны в области диаметром около 20 нм или меньше. Поэтому любой «программируемый материал» будет нуждаться в сборке с высокой степенью точности. Для этого необходима технология высокой точности, и, я думаю, МНТ вполне соответствует требованиям к созданию высокоточных систем такого уровня. Также, вероятно, подходящей технологией будет «атомная оптика», способная точно «выстреливать» атомы на поверхность, создавая квантово-точечные структуры. В программируемой материи нет движущихся частей (кроме электронов и фотонов), в то время как МНТ базируется на создании подвижных наноструктур. Тем не менее, я думаю, что обе эти технологии будут комплементарны, так как они оперируют на одном и том же нанометровом уровне. Наномашины с встроенными программируемыми атомами будут, вероятно, самыми мощными и гибкими инструментами, созданными человечеством. Интеграция программируемой материи в микротехнологии также возможна, как описывал J. Storrs Hall's в проекте «конструктивного тумана» (см. рис. 3, 4).

Рис. 3 Элементарная частица-робот конструктивного тумана

Конструктивный туман предназначен как для сборки разнообразных объектов из атомов, включая как самих роботов тумана, так и макроскопические объекты. Также возможна сборка объектов из самих частиц конструктивного тумана, как это было представлено в фильме Терминатор-2. Однако необходимо заметить, что подобная система нуждается в мощном аналитическом управлении.

Рис. 4 Сборка макрообъектов из элементарных частиц

Почему, по вашему мнению, в прессе уделяют так мало внимания перспективам развития технологии квантовых точек?

Хороший вопрос! Применение квантовых точек возможно практически во всех отраслях современных технологий. Важность разработок видна даже неспециалисту, поверхностно ознакомившемуся с их потенциальным применением. Несколько научно-популярных журналов вскользь упомянуло о важности подобных разработок, и на этом дело закончилось. Вероятно, для освещения важности исследований подобного рода необходимы результаты и время.

«Если прозрачный сверхчип сможет принимать очень низкий коэффициент рефракции, то его оптические характеристики будут побобны характеристикам вакуума или воздуха. Это будет настоящей невидимостью, и самолет, построенный из подобного материала, нельзя будет увидеть ни на существующих электромагнитных сканнерах, ни простым глазом …» («Matter as Software»)"

Можете ли вы объяснить, что такое «сверхчип»?

Конечно. Я настолько инженер, насколько писатель, и, когда я услышал о квантовых точках, то подумал, что программируемая материя будет одним из фундаментальных применений этой технологии. Поэтому я и мой партнер по бизнесу устроили мозговой штурм, в результате которого мы придумали метод управления квантовыми точками внутри материала. Для этого необходимо поместить квантовые точки на поверхность очень маленьких волокон и потом собрать волокна вместе. Это мы и назвали сверхчипом (ориг. – wellstone = quantum well+Si stone). Мы запатентовали эту идею и отказали двум инвестиционным компаниям, захотевшим купить ее у нас. Наша компания, Galileo Systems, проводит аэрокосмические исследования для правительства США, поэтому мы надеемся совместить исследования квантовых точек с разработкой аэрокосмических устройств.

«Если концепция программируемой материи будет реализована, то это будет переворотом в человеческой цивилизации. Эта технология обеспечит не только гиперкомпьютеры и широкий спектр новых материалов, но и такие устройства, которые мы пока не можем вообразить. Новые материалы могут быть созданы за считанные секунды – не надо будет ничего рассчитывать наперед. Сотрется этап проектирования и производства прототипов, можно будет просто задать основные свойства материала. В будущем математика и программное обеспечение объединятся в концепции программируемой материи. Это поможет технологии программируемой материи повлиять на развитие остальных областей производства…» («Matter as Software»)"

Какие основные технические трудности необходимо преодолеть для того, чтобы создать «сверхчип»?

Одна из проблем – гибкое трехмерное производство и манипулирование материей с высокой точностью (последние разработки китайских ученых позволили делать трехмерные структуры, – прим. перев.). Также, никто не знает, как ведет себя материя на атомарном уровне (с этим, разумеется, можно поспорить, – прим. перев.). Вообще подводных камней много, и они будут и будут возникать по мере будущих исследований. Но можно определенно сказать, что мы сможем сконструировать сверхчип в течение десятилетия.

Прим. перев.: Будем надеяться, что все это не просто еще один прожект в сфере высоких технологий, так как перспективы использования действительно широкие.

Перевод и комментарии Свидиненко Юрия