NOWE NIEZWYKE MATERYALY Mikoaj Siergiejew Instytut Fizyki US

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

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

Kwazikryształy kryształ szkło kwazikryształ Daniel Shechtman – Nagroda Nobla – 2011 rok 3

Kwazikryształy 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 Struktura kwazikryształu Ag - Al 4

Półprzewodniki Półprzewodnikami są izolatory, których jednak prze – wodnictwo elektryczne można „indukować” wprowadzając domieszki – atomy donorowe albo akceptorowe 5

Złącze p - n e- e- p e- H 2 O n 6

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

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

„Sztuczne” molekuły i kryształy e- e- + + + e- e+ + e- e- + + e- + + + e- e- e- + + e-e- + + e- e- + -e e e eee+ + e-+ + - + + e ee-ee-e + + + + e e eee+ + -+ + --+ + ee e ee-eee+ + + + e e ee 9 + + e-

Nanoświat 10

Struktury półprzewodnikowe Pasma przewodnictwa Pasma walencyjne Bariera kwantowa Studnia kwantowa 11

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

Kwantowe zjawisko Halla Dla objętościowego półprzewodnika oporność xy ~Vy/Jx rośnie liniowo z indukcją pola magnetycznego, natomiast xx ~Vx/Jx 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) Klaus von Klitzing – Nagroda Nobla – 1985 rok R. Laughlin i inne – Nagroda Nobla – 1988 rok 13

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

Struktury ferromagnetyczne Gigantyczny magnetoopór. Zjawisko to jest wykorzystywane w spintronice (zaworach spinowych); główicach odczytu twardych dysków oraz magnetycznych pamięciach MRAM, . . . A. Fert, P. Grünberg – Nagroda Nobla – 2007 r. 15

Prawo Kulomba a nanoświat r Q 2 Q 1 R |F| = k. Q 1 Q 2/r 2 E = Q 2/2 C Q C= 4 0 R 16

„Bomba” kulombowska D Nanoklaster z atomów deuteru 2 H, D D D h 10 -15 s D D T ~ 3 Me. V reakcja termojądrowa D + D 3 He + n (2, 54 Me. V) 17

Tranzystor jednoelektronowy Gdy energia kinetyczna elektronu jest mniejsza niż e 2/2 C siła kulombowska odpychania elektronu i nanokuli metalicznej „blokują” przejście elektronu przez kulę – prąd nie płynie. Zjawisko nazywa się blokadą kulombowską18

Nanocząstki – fulereny (C 60, C 70) Posiadają własności nadprzewodzące i półprzewodnikowe. Posiadają unikalną właściwość zamykania w ich wnętrzu innych cząstek. Należą do związków słabo rozpuszczalnych. . . H. Kroto i inne – Nagroda Nobla – 1996 rok 19

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

Grafen – jednoatomowa warstwa grafitu Bardzo dobry przewodnik ciepła i prądu elektrycznego. Bardzo elastyczny - można bez szkody rozciągnąc o 20%. Jest prawie całkowity przezroczysty. . . A. Gejm, K. Novosiołov–Nagroda Nobla– 201021 r.

Metamateriały Własności optyczne materiału określa współczynnik załamania światła Viktor Veselago udowodnił, że z regułami elektrodynamiki nie jest sprzeczne założenie, że < 0 i < 0, wtedy „LEFT-HANDED MEDIUM” 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” ? ? ? - Nagroda Nobla – ? ? ? r. 22

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 23

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

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

Metamateriały z n < 0 26

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

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

Nanokomputery kwantowe 16 – kubitowy procesor komputera kwantowego „Orion” 29

Zastosowania T=1000 C Materiał izolacyjny „Nanożołnierz” 30

Dziękuję za uwagę 31

32