Нобелевское наследие: ученые СПбГУ продолжают работу над квантовыми технологиями для микроэлектроники

4 октября стало известно, что выпускник Ленинградского (Санкт‑Петербургского) государственного университета 1967 года Алексей Екимов вместе с американскими учеными Мунги Бавенди и Луисом Брюсом стал лауреатом Нобелевской премии по химии за открытие и исследование квантовых точек. Алексей Екимов стал девятым нобелевским лауреатом в истории СПбГУ.

В лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций, созданной в 2022 году на базе СПбГУ (кафедра физики твердого тела), продолжают эту работу, изучая перспективы создания новых материалов в квантовых приложениях: светодиодах, транзисторах, солнечных батареях, лазерах, нанопьезогенераторах и других. Такие материалы создаются методом молекулярно‑пучковой эпитаксии. В процессе создания пучок молекул паров или атомов нужного материала направляется на поверхность пластины, которая находится в условиях сверхвысокого вакуума. Взаимодействие молекул с поверхностью пластины вызывает их конденсацию и образование упорядоченной кристаллической структуры на поверхности. Таким образом, на поверхности пластины постепенно формируются наноматериалы с заданными структурными и электронными свойствами.

«Такой метод позволяет решать самый широкий спектр задач. С его помощью мы можем получать высококачественные наноструктуры различного состава и геометрии с заранее заданными свойствами. Это дает возможность создавать материалы будущего для приборов нового поколения», — рассказал руководитель лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Родион Резник.

Например, ученые могут создавать источники одиночных фотонов, которые востребованы для приложений в области квантовых коммуникаций. Кроме того, с помощью одиночных фотонов можно передавать информацию, которую невозможно перехватить. Важно отметить, что источники одиночных фотонов перспективны для создания кубитов в квантовых компьютерах — компьютерах будущего с высокой скоростью вычислений.

Помимо лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ, квантовыми технологиями в Университете занимается лаборатория оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ, созданная по мегагранту Правительства РФ в 2011 году.

Сегодня лабораторией оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ руководит профессор СПбГУ Алексей Кавокин, один из самых известных в мире ученых в данной области. Он также возглавляет группу квантовой поляритоники в Российском квантовом центре, является профессором Университета Саутгемптона (Великобритания), руководит Международным центром поляритоники в Университете Вестлейк в Китае.

Научная группа лаборатории предсказала, а после в 2018 году подтвердила экспериментально существование бозе‑эйнштейновской конденсации экситонов и экситонных поляритонов при комнатной температуре, что позволило создать поляритонные лазеры. Они потребляют в несколько раз меньше энергии, чем традиционные полупроводниковые лазеры, к тому же на основе поляритонных лазеров можно создавать кубиты — базовые элементы квантовых компьютеров будущего. Эти технологии вносят существенный вклад в развитие квантовых вычислительных систем.

«Мы создали InGaAs квантовые точки в теле AlGaAs нитиевидных нанокристаллов. Это уникальное исследование по созданию квантового соединения внутри другого наноразмерного объекта на основе этих материалов. В отличие от других методов создания квантовых точек в нашем случае мы можем строго управлять их размерами и положением, а следовательно, и их свойствами. Более того, возможность манипулировать одиночными нитевидными нанокристаллами позволяет нам делать то же самое и с квантовыми точками, находящимися внутри», — сказал Родион Резник.

Еще один пример структур, исследуемых в лаборатории, — азотосодержащие наноструктуры. На их основе создаются прототипы эффективных светодиодов в проблемных на сегодняшний день «зеленой» и «красной» областях. Эти же структуры способны разлагать воду на водород и кислород для получения экологически чистого водородного топлива.

Другая проблема, которую могут решить в лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ, — интеграция с кремниевой платформой оптоэлектронных приборов: транзисторов, лазеров и т. д. Структуры для создания таких приборов синтезируют на дорогих пластинах и потом переносят на кремний, что является непростым и дорогостоящим процессом. Ученые из СПбГУ же разработали технологию, позволяющую выращивать такие структуры на поверхности кремния.

Санкт‑Петербургский государственный университет — первый университет России был основан 28 января (8 февраля) 1724 года, когда Петр I издал указ об учреждении Университета и Российской академии наук. Сегодня СПбГУ — научный, образовательный и культурный центр мирового уровня. В 2024 году Санкт‑Петербургский университет отметит свой 300‑летний юбилей.

План мероприятий в рамках празднования юбилея Университета был утвержден на заседании оргкомитета по празднованию 300‑летия СПбГУ, которое провел заместитель председателя Правительства РФ Дмитрий Чернышенко. Среди таких мероприятий — присвоение малой планете имени в честь СПбГУ, выпуск банковских карт со специальным дизайном, создание почтовых марок, посвященных истории первого университета России, брендирование самолета авиакомпании «Россия» и многое другое. Кроме того, Университет запустил сайт, посвященный предстоящему празднику, с информацией о выдающихся универсантах, научных достижениях и подробностях подготовки к юбилею.