Без дефектов: как выращивают монокристаллы для квантовых компьютеров

© РИА Новости / Александр КондратюкСотрудница завода проверяет качество изготовленных кристаллов на Южноуральском заводе ОАО Кристалл в Челябинской областиСотрудница завода проверяет качество изготовленных кристаллов на Южноуральском заводе ОАО Кристалл в Челябинской области
Подпишись на ежедневную рассылку РИА Наука

Спасибо за подписку

Пожалуйста, проверьте свой e-mail для подтверждения подписки

МОСКВА, 6 мар — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Большинство современных высокоточных приборов работает на монокристаллах. Как их выращивают, минимизируя дефекты, выяснило РИА Новости.

Оптоволоконный кабель
Открытие ученых из России в фотонике признали прорывом года

Росту кристаллов посвящены тысячи научных исследований, но и сейчас в этом вопросе далеко не все ясно. Многие материалы, на которые промышленность возлагала надежды, так и не вышли за рамки лабораторных стендов: выращенные на них кристаллы не соответствовали инженерным задачам. Процесс кристаллизации требует соблюдения множества параметров, сложных манипуляций с химическим составом, знания точных условий и скорости роста. К тому же кристалл растет несколько недель и даже месяцев, и малейшие перебои в электроэнергии негативно влияют на результат.

"Это, наверное, странно услышать от ученого, но мы не полностью понимаем процесс кристаллизации. Конечно, в теории нам многое известно: как атомы встраиваются в решетку, как образуются грани и так далее. Но можно провести десять опытов и получить десять разных кристаллов. Это говорит о том, что экспериментатор не в состоянии контролировать весь процесс", — рассказывает Константин Кох, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории роста кристаллов Института геологии и минералогии СО РАН, лауреат премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года.

Когда теория обгоняет практику

Константин Кох занимается кристаллами селенида галлия (GaSe) и топологическими изоляторами на основе тетрадимита — соединений со структурой сульфотеллурида висмута Вi2Те2S. Оба материала чрезвычайно интересуют физиков, поскольку способны найти применение в высокотехнологичных устройствах. Селенид галлия рассматривают как перспективный источник терагерцового излучения, используемого в просвечивающих досмотровых сканерах, медицинских диагностических аппаратах, анализаторах газовых смесей. Однако вырастить прочные, чистые монокристаллы селенида галлия не так-то просто, и это тормозит их коммерческое внедрение.

Та же судьба у материалов со свойствами топологических изоляторов, обнаруженных всего десять лет назад.

Так художник представил себе стокновение сверхмалых частиц
Физики выяснили, как свет поможет ускорить компьютеры в 100 тысяч раз

"Это очень странный тип материалов. Представьте себе кусок дерева, обернутый алюминиевой фольгой. Дерево — диэлектрик, оно не проводит электрический ток, а фольга проводит. Так и топологический изолятор. В теории его объем не проводит ток, но поверхность, в отличие от фольги, пропускает электроны, причем только с определенным спином", — поясняет ученый.

Благодаря столь необычному свойству топологические изоляторы могут найти применение в квантовых компьютерах в качестве носителей информации или послужить основой сверхбыстрых транзисторов, составив конкуренцию графену. Но пока все это звучит как фантастика. Попытки вырастить монокристаллы топологических изоляторов с нужными параметрами окончились неудачей. Из-за множества дефектов структуры кристаллы быстро окислялись на воздухе, а их внутренний объем проводил электрический ток.

Круговой нагрев

Обычно, когда расплав застывает, в нем возникает множество центров кристаллизации, выступающих точками роста граней и слоев сразу нескольких кристаллов. Чтобы получить монокристалл, в расплаве нужно создать условия для образования одного зародыша. Для этого смесь веществ загружают в емкость, конически сужающуюся книзу, и помещают в неравномерно прогретую вертикальную печь так, чтобы контейнер находился в области температур, превышающих точку кристаллизации. Медленно опуская контейнер, добиваются того, чтобы зародыш образовывался в самом низу конуса и расплав нарастал на него в виде кристалла снизу вверх. Этот метод изобрел в свое время американский физик Бриджмен.
Добиваясь стабильного роста кристаллов, Кох с коллегами немного изменили метод Бриджмена. В качестве емкости они используют ампулу из кварцевого стекла, из которой перед запайкой откачали воздух. Это необходимо, чтобы защитить смесь от окисления. Хотя ампула прозрачная, рост монокристалла не увидеть: у раскаленного расплава слишком сильное излучение. Это все равно что смотреть на лампочку накаливания или Солнце. Селенид галлия растет при температуре 940 градусов Цельсия, тетрадимит — при 600 градусах.
"Обычно считается: чем равномернее емкость нагрета со всех сторон, тем лучше. Мы же поступили наоборот: решили чуть-чуть перегревать ампулу с одной стороны", — говорит Константин Кох.

© Иллюстрация РИА Новости . Алина ПолянинаУстановка для выращивания кристаллов методом Бриджмена
Установка для выращивания кристаллов методом Бриджмена

Опытным путем ученые пришли к тому, чтобы окружить ампулу рядом нагревательных элементов и последовательно, один за другим, их включать. Еще одна новация — напыление изнутри ампулы тонкого слоя графита. Иначе расплав вступает в реакцию с кварцевым стеклом, и ампула буквально прирастает к поверхности кристалла. Нужные физические и механические свойства способны обеспечить примеси. В ходе экспериментов выяснилось, что добавление серы и алюминия к расплаву придают селениду галлия требуемую прочность. После пяти лет исследований прогресс наметился и с топологическими изоляторами.

© Фото : Константин КохИскусственный кристалл селенида галлия
Искусственный кристалл селенида галлия

"Мы научились выращивать настолько качественные кристаллы, что они демонстрируют абсолютное сопротивление окислению. Наши кристаллы могут полгода пролежать на воздухе и не окислиться", — подчеркивает ученый.

Конечно, от лабораторных опытов, пусть и успешных, до технологии — долгий путь. Да и промышленность зачастую не поспевает за научными достижениями. Однако опыт и уже проверенные решения позволяют поддерживать постоянную готовность к технологическому рывку.

© Фото : ИГМ СО РАНГеохимик Константин Кох, лауреат премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года
Геохимик Константин Кох, лауреат премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года
РИА Наука
Комментарии
7 пользователей оставили 13 комментариев
petrihas, да прямо таки. А если через пару лет на их базе появятся домашние ПК и ноутбуки с умопомрачительными параметрами и умеренной ценой? Неужели не будете алкать такой в личное пользование? Все перспективные разработки обязательно пойдут в народ. Но не сразу.
vwdg,
Вы, боюсь, американских фильмов пересмотрели, где всё белоснежное. Реальные лаборатории так и выглядят, как на фотке. Да, некоторое оборудование не первой свежести, но это не смартфоны, здесь нет логики чем новее, тем моднее.
Чемпионат мира по футболу 2018
Матч окончен
0
Коста-Рика
1
Сербия
Матч окончен
0
Германия
1
Мексика
Матч окончен
1
Бразилия
1
Швейцария
18 июня 15:00
-
Швеция
-
Республика Корея
Чемпионат мира по футболу 2018
Матч окончен
0
Коста-Рика
1
Сербия
Матч окончен
0
Германия
1
Мексика
Матч окончен
1
Бразилия
1
Швейцария
18 июня 15:00
-
Швеция
-
Республика Корея
Наверх
Авторизация
He правильное имя пользователя или пароль
Войти через социальные сети
Регистрация
E-mail
Пароль
Подтверждение пароля
Введите код с картинки
He правильное имя пользователя или пароль
* Все поля обязательны к заполнению
Восстановление пароля
E-mail
Инструкции для восстановления пароля высланы на
Смена региона
Идет загрузка...
Произошла ошибка... Повторить
правила комментирования материалов

Регистрация пользователя в сервисе РИА Клуб на сайте Ria.Ru и авторизация на других сайтах медиагруппы МИА «Россия сегодня» при помощи аккаунта или аккаунтов пользователя в социальных сетях обозначает согласие с данными правилами.

Пользователь обязуется своими действиями не нарушать действующее законодательство Российской Федерации.

Пользователь обязуется высказываться уважительно по отношению к другим участникам дискуссии, читателям и лицам, фигурирующим в материалах.

Публикуются комментарии только на тех языках, на которых представлено основное содержание материала, под которым пользователь размещает комментарий.

На сайтах медиагруппы МИА «Россия сегодня» может осуществляться редактирование комментариев, в том числе и предварительное. Это означает, что модератор проверяет соответствие комментариев данным правилам после того, как комментарий был опубликован автором и стал доступен другим пользователям, а также до того, как комментарий стал доступен другим пользователям.

Комментарий пользователя будет удален, если он:

  • не соответствует тематике страницы;
  • пропагандирует ненависть, дискриминацию по расовому, этническому, половому, религиозному, социальному признакам, ущемляет права меньшинств;
  • нарушает права несовершеннолетних, причиняет им вред в любой форме;
  • содержит идеи экстремистского и террористического характера, призывает к насильственному изменению конституционного строя Российской Федерации;
  • содержит оскорбления, угрозы в адрес других пользователей, конкретных лиц или организаций, порочит честь и достоинство или подрывает их деловую репутацию;
  • содержит оскорбления или сообщения, выражающие неуважение в адрес МИА «Россия сегодня» или сотрудников агентства;
  • нарушает неприкосновенность частной жизни, распространяет персональные данные третьих лиц без их согласия, раскрывает тайну переписки;
  • содержит ссылки на сцены насилия, жестокого обращения с животными;
  • содержит информацию о способах суицида, подстрекает к самоубийству;
  • преследует коммерческие цели, содержит ненадлежащую рекламу, незаконную политическую рекламу или ссылки на другие сетевые ресурсы, содержащие такую информацию;
  • имеет непристойное содержание, содержит нецензурную лексику и её производные, а также намёки на употребление лексических единиц, подпадающих под это определение;
  • содержит спам, рекламирует распространение спама, сервисы массовой рассылки сообщений и ресурсы для заработка в интернете;
  • рекламирует употребление наркотических/психотропных препаратов, содержит информацию об их изготовлении и употреблении;
  • содержит ссылки на вирусы и вредоносное программное обеспечение;
  • является частью акции, при которой поступает большое количество комментариев с идентичным или схожим содержанием («флешмоб»);
  • автор злоупотребляет написанием большого количества малосодержательных сообщений, или смысл текста трудно либо невозможно уловить («флуд»);
  • автор нарушает сетевой этикет, проявляя формы агрессивного, издевательского и оскорбительного поведения («троллинг»);
  • автор проявляет неуважение к русскому языку, текст написан по-русски с использованием латиницы, целиком или преимущественно набран заглавными буквами или не разбит на предложения.

Пожалуйста, пишите грамотно — комментарии, в которых проявляется пренебрежение правилами и нормами русского языка, могут блокироваться вне зависимости от содержания.

Администрация имеет право без предупреждения заблокировать пользователю доступ к странице в случае систематического нарушения или однократного грубого нарушения участником правил комментирования.

Пользователь может инициировать восстановление своего доступа, написав письмо на адрес электронной почты moderator@rian.ru

В письме должны быть указаны:

  • Тема – восстановление доступа
  • Логин пользователя
  • Объяснения причин действий, которые были нарушением вышеперечисленных правил и повлекли за собой блокировку.

Если модераторы сочтут возможным восстановление доступа, то это будет сделано.

В случае повторного нарушения правил и повторной блокировки доступ пользователю не может быть восстановлен, блокировка в таком случае является полной.

Чтобы связаться с командой модераторов, используйте адрес электронной почты moderator@rian.ru или воспользуйтесь формой обратной связи.

Заявка на размещение пресс-релиза
Компания
Контактное лицо
Контактный телефон или E-mail
Комментарий
Введите код с картинки
Все поля обязательны к заполнению. Услуга предоставляется на коммерческой основе.
Заявка успешно отправлена