Муҳандислик фанига айланмоқда

Маълумки, классик механика моддий зарраларнинг аниқ чизиқлар, яъни траэкториялар бўйлаб ҳаракат қилишини миқдорий қонуниятлар ёрдамида ўрганади. Бунда зарранинг бошланғич ҳолатини ифодаловчи шартлар маълум бўлса, келгусида унинг қандай бўлиши ҳам аниқланади. Оқибат, фанда чуқур из қолдирадиган ва оламнинг механик манзарасини яратиш (барча ҳодисаларни механика қонунлари асосида тушунтириш)га интилиш пайдо бўлди.

Афсуски, оламни фақат механика қонунлари асосида бутунлай тушунтиришнинг иложи йўқ. Шу боис, бундай қарашлар ўзини оқламади десак, хато бўлмайди. ХIХ аср охири ХХ аср бошларида математика соҳасида эришилган ютуқлар (дифферентсиал ҳисоб, Минковский геометрияси) туфайли механик қонунларнинг янги кўринишлари пайдо бўлди. Тўлқин тенг­ламаларининг отаси Эрвин Шрёдингер томонидан яратилган микрозар­ра­ларнинг ҳаракат (Шрёдингер) тенг­ламалари классик тасаввурларга сиғмайдиган натижаларга олиб келди. Масалан, энергиянинг квантланиши (классик механикада эса энергия узлуксиз бўлади). Ўша даврда бу тенгламалар тўғрисида фикр юритишга жазм қиладиган инсон йўқ эди. Сабаби, бунга маълум маънода «фандаги шаккоклик» деб ҳам қаралган.

Квант физикасининг асосчиларидан бири М. Планк 1879 йили Мюнхенда диссер­татсиясини ҳимоя қилгандан кейин устози Филип фон-Жоллига назарий физика билан шуғулланиш ния­ти борлигини айтади. Устоз эса ўз нав­батида назарий физика поёнига етгани, фақат баъзи хусусий ҳоллар, бошланғич ва чегаравий шартларни ўзгартириб дифферентсиал тенглама­ларнинг эчимини топиш қолгани, умуман, бу «истиқболсиз иш» билан шуғулланиш бефойдалигини уқтиради.

Шунга қарамай, Планк назарий физика билан шуғулланишни давом эттириб, 1900 йили электромагнит нурланишнинг дискрет эканлигини кашф қилди. 1905 йилда Эйнштейн томонидан электромагнит майдоннинг энергияси дискрет структурага эгалиги, ундаги энг кичик зарра фотонни аниқлайди, кейинчалик атомнинг квант назарияси ва квант механикага асос солади. У даврда квант механикаси ту­шунчаларининг илм аҳли томонидан қабул қилиниши жуда қийин кечди. Боиси, биринчидан, кичик зарраларнинг кичик ўлчамларда ҳаракат траэкторияси деган тушунчанинг йўқлиги, иккинчидан, Вейнер Гейзенберг томонидан киритилган ноаниқлик принтсипи эди. Унга кўра, кичик ўлчамларда заррачанинг импулси ва координатаси (энергия ёки вақт)ни бир вақтда катта аниқликда ўлчаб бўлмайди.

Нобел мукофотининг лауреати Ричард Фейнман томонидан яратилган квант механика борасида кўпчилик бу мураккаб формулалар тўпламидир, деган фикрда. Олим этук мутахассис сифатида квант механикасининг юксак истиқболини кўра билган. Унинг таъкидлашича: «Инсонлар келгусида алоҳида атомларни бошқаришни ўрганиб олиб, хоҳлаган нарсаларини яратишлари (синтез қилишлари) мумкин». Соҳанинг кейинги ривожи жисм зарралари ҳаракатини ўлчамнинг квантланиши масалаларига олиб келди. Бунда эркин зарранинг ҳаракатини бирор-бир ўлчам ёки йўналиш бўйича чегараласак, яъни квантласак, натижада унинг ҳаракат қонунлари эркин зарраникидан бутунлай фарқ қилади. Квантлашни давом эттириб, зарранинг ҳаракатини икки ўлчам бўйича (бир ўлчамли тузилмалар), сўнгра уни учала ўлчам бўйича ҳам чегараласак (нол ўлчамли тузилмалар), бутунлай янги ҳодисалар ва қонуниятлар намоён бўлар экан. Хусусан, 1987 йили икки ўлчамли электронлар газида квант ва касрли квант Холл эффектларининг кашф этилиши паст ўлчамли тузилмаларга қизиқишни кучайтирди. Икки ўлчамли тузилмаларда ёруғликнинг катта миқдорда сочилиши ва ютилиши, юпқа пардаларда улкан магнит қаршиликлар, углерод асосидаги квант ўлчамли йирик молекулалар, фуллуренларнинг кашф этилиши ва уларнинг амалиётда ишла­тилиш истиқболлари – бу соҳадаги изланишларга катта туртки берди.

Ўлчамли квантланишни ярим ўт­казгичларда намоён қилиш юқори техно­логиялар (молекуляр нурли эпитактсия) ёрдамида бирор таглик устида нафақат кристолографик тузилиши, балки кимёвий таркиби ҳам бир-биридан фарқ қиладиган ўта юпқа қатламлар ўстириш орқали амалга оширилди. Бу соҳадаги тадқиқот ишлари ўтган асрнинг 70-йилларидан бошланди. Эътиборлиси, асосан учланган бирикмалар асосида Алх Га1-х Ас иккиланган гете­роўтишлар ҳосил қилиш устида тадқиқотлар олиб борилди ва натижада 2003 йили немис олими Бимберг ва рус олими Ж.Алфёров Нобел мукофотига сазовор бўлишди. Ҳозир ярим ўтказгичлардаги паст ўлчамли структуралар қуйидагиларга бўлинади:

– квант нуқталар (КН) – бу структураларнинг ўлчамлари мавжуд уч йўналиш бўйича қатор атомлар орасидаги масофа тартибида бўлади (КНларни баъзан сунъий атомлар деб ҳам аташади). Масштабига боғлиқ равишда структура нол ўлчам (0Д) ёки уч ўлчамли (3Д) ҳисобланади. Бу эрда Д-диментион – ўлчам, массив, ўлчов, катталик, ҳажм сўзларининг биринчи ҳарфи бўлиб, унинг олдидаги рақам эса тузилма геометрик ўлчами тартибини билдиради;

– квант симлар (КС) ёки квант иплар (КИ) – бунда структуралар ўлчамлари икки йўналиш бўйича бир неча атомлар орасидаги масофага тенг бўлади, учинчи йўналиш бўйлаб эса ўлчам макроскопик қийматга эга бўлади (1Д);

– квант деворлар (КД), бошқача айтганда, квант чуқурликлар (КЧ) -структураларнинг ўлчамлари бир йўналиш бўйича қатор атом оралиғидаги масофа тартибида бўлади, қолган икки йўналиш бўйича эса ўлчам макроскопик қийматга эга бўлади (2Д).

Ўлчами чегараланган муҳитда электронлар ҳолати ва ташқи таъсирларга жавоби қуйидагича кечиши мумкин. Фараз қилинг, ўқувчи бола футбол майдонида турибди. У уч ўлчам бўйича ҳаракат қилиши, тўрт тарафга югуриши ва юқорига сакраши мумкин. Демак, у Х, Y, Z координата ўқлар бўйича эркин ҳаракат қилади. Бунга боланинг учта эркинлик даражаси бор дейилади. Юқорига ҳаракат қилиши, сакрашини тепадан девор билан чегараласак, у фақат чор атрофга ХОЙ координата текислигида югуриши мумкин. Бунда боланинг ҳаракати икки ўлчамли бўлади. Болани икки ён томондан ҳам деворлар билан тўсиб, ҳаракатни яна чегараласак, у фақат олдинга ҳаракат қила олади. Агар ҳаракати фақат битта координата ўқи билан белгиланса, у бир ўлчамли дейилади. Бола ҳаракати олд ва орқадан чегараланса, у ҳаракатлана олмайди. Бу унинг ҳаракати нуқтадан иборат дегани.

Юқорида келтирилган тўрт ҳолатда боланинг ташқи таъсирга берадиган жавобини тасаввур қилиб кўринг. Биринчи ҳолда у эркин, иккинчисида сакрашга даъват қилинса-да, бунга имкони йўқ, учинчи вазиятда эса фақат олдинга ва орқага ҳаракат қила олади. Ташқи даъват уни ён томонга ундаса-да, бунинг иложи бўлмайди. Тўртинчи ҳолатда ҳаракати бутунлай чекланган, у фақат этарли бўлган ташқи кучлар таъсиридагина деворлардан ошиши мумкин, куч этарли бўлмаса, ўз ҳолатини ўзгартира олмайди. Барча ҳолда ҳам боланинг ташқи таъсир ёки даъватларга жавоби турлича, баъзан эса ғайритабиий бўлиб, у ўз вазиятидан келиб чиқиб, жавоб беради ва ҳатто кутилмаган ҳаракатлар қилади. Электрон ҳам болага ўхшаб ўзини юқорида тасвирланганидек тутади.

Чегараланган тузилмаларда заррача ёки электрон энергиясини ўз ҳолатидан келиб чиқиб ўзгартирди, потентсиал тўсиқ (девор)ларни энгиш учун этарлича энергия берилсагина ошиб ўтади, акс ҳолда, энергия қанча катта бўлмасин, натижа кузатилмайди. Оқибатда электрон энергиясининг узлуксиз ортишига имкон бермай, сакраб, фақат маълум миқдорда ўзгаришига олиб келади, фан тилида эса бу квантланиш деб аталади.

Мазкур ҳодисалар ёрдамида кўплаб замонавий электрон асбоблар ва қурилмалар яратиш мумкин. Уларга ярим ўтказгичли лазерлар, фото­элементлар, турли датчиклар, сен­сорлар, транзисторлар, доимий хотира қурилмалари, ДВД дисклар, шунингдек, квант компютернинг асоси бўлган уч ўлчамли квант ҳодисаларга асосланган микросхемаларни киритиш мумкин.

Қуйида бу қурилмалар, магнит молекулалар, уларни олиш ва ишлаб чиқариш усуллари билан шуғулланувчи янги соҳа – «нанотехнология» билан кенгроқ танишамиз.

Магнит молекулалар

Таркибида нодир Ер элементлари ва ўтиш гуруҳи металлари ионлари бўлган молекуляр кристалларга магнит молекуляр нанокластерлар дейилади. Бу кристал­ларнинг таркибий қисми бўлган молекулалар мураккаб тузилишга эга. Улар қўшимча ички эркинлик даражаси – магнит моментига эга. Айнан шу магнит моменти уларнинг хоссаларига хилма-хиллик бағишлайди ва уларни ташқи магнит майдони ёрдамида бошқаришга имкон беради. Айтиш жоиз, магнетизм моҳиятан квант механик ҳодисадир. Менделеэв жад­валининг кўпгина элементлари атомлари, электрон спинлари компенсатсия­ланмаганлиги туфайли магнит момен­тига эга. Улар орасида ўтиш гуруҳи металлари (Фе, Cо, Ни, Мн ва б.), лантаноидлар (нодир эр элементлари ва актаноидлар) энг кўп эътиборга моликдир. Одатда молекулалар диамагнитдир, аммо баъзида, масалан, кислород молекулалари бундан истисно бўлиши ҳам мумкин. Макроскопик моддаларнинг магнит хоссалари унчалик оддий эмас, чунки алоҳида атом ёки молекулаларнинг магнит моментлари мураккаб даражада. Алоҳида атомларнинг магнит хоссалари жуда яхши тушунарли. Ҳозирга қадар, таркибида ўтиш гуруҳи ёки нодир Ер элементлари атомлари мавжуд бўлган магнит кристалларнинг хоссалари батафсил ўрганилган бўлса-да, қатор саволлар очиқ қолмоқда.

Гап шундаки, бу материалларда мавжуд узоқ магнит тартиб алоҳида атомларнинг магнит хоссаси ҳисса­ларининг оддий суперпозитсияси эмас. Магнит тартибланиш – бу жамоавий квант механик ҳодиса бўлиб, унинг асосида Паули принтсипи билан боғлиқ атом спинлари орасидаги ўзига хос таъсирлашув ётади. Бу алмашинув таъсирлашуви дейилади.

Алмашинув таъсирлашуви модда­нинг макроскопик соҳаларида спин­ларнинг параллел жойлашувини (фер­ромагнетизм), панжаранинг қўшни тугунларида анти­параллел жойлашуви (антиферромагнетизм) ёки магнит тартибланишнинг бошқа мураккаб шаклларини юзага келтириши мумкин. Магнетик кластерлар ёки магнит молекулалар алоҳида атомларнинг микроскопик магнетизмини ва кристалл ҳолда аморф жисмларнинг макроскопик магнетизмини бирлаштирувчи бўғимдир. Шунинг учун улар баъзан мезоскопик магнитлар деб ҳам юритилади. Ме­зоскопик атамаси ўрта, оралиқ маъно­сини билдириб, модда макроскопик жисм сифатида шаклланмаган, бироқ алоҳида атом эмас, балки атомлар мажмуаси бўлганда уларнинг хосса­ларини тавсифлашда ишлатилади.

Ана шундай хоссаларга эга моле­кулалар ўтиш гуруҳи элементлари иштирокида қурилган (Фе, Мн ва б.) юқори спинли металоорганик моле­кулалар ёки магнит молекулалар деб ҳам аталади.

Таъкидлаш лозим, бу молеку­лаларнинг уйғунлиги ва мукаммаллиги кишини ҳайратда қолдиради!.. Мисол тариқасида оддий Фе10 кластерларни кўриб чиқайлик. Бу – хлор, кислород ва углерод ионлари билан ўралган ўнта Фе3+ ионлари, улар орасидаги таъсир­лашув антиферромагнит характерга эга. Шу сабаб, молекуланинг асосий ҳолатида спини нолга тенг С=0. Фе10 магнит кластерини бир молекула доирасидаги антиферро­магнетик дейиш мумкин.

Мн6 марганетс халқаси бундан-да мураккаб тузилган. Бу кластер Мн2+ ионлари ва органик радикаллар кетма-кет жойлашган ҳалқасимон узилмадан иборат. Мн2+ ионлари спинлари (С=5/2) ва Р радикаллар спинлари (С=1/2) ўзаро кучли антиферромагнит таъсирлашув билан боғланган, шунинг учун Мн6 кластери ферримагнетик, яъни компенсатсияланмаган бутун спинли структура экан. Агар Мн2+ ионларининг барча спинлари юқорига, радикал­ларники пастга йўналса, унда молеку­ланинг тўлиқ спини С=12 га тенг.

Бу каби катта спинли кластерлар табиатда кам учраб, улар асосан лабораторияларда синтезланади. Янги магнит материалларни яратиш учун «қурилиш ғиштлари» сифатида катта қизиқиш уйғотади.

Баъзи магнит кластерларининг (Мн2, Фе ва б.) ажойиб хоссаларидан бири молекуляр бистабилликдир. Бунда магнит молекула маълум йўналишда магнит моменти ориэнтатсияси билан фарқ қилувчи икки ҳолатда бўлиши мумкин. Мазкур ҳолатлар орасидаги ўтиш ташқи магнит майдони билан амалга оширилади. Бошқача айтганда, бундай молекула табиий хотира элементидир. Молекулалар орасидаги масофа ~10 нм бўлганда, улар ёрдамида хотирага ахборот ёзиш зичлиги 100 гигабит/см.2 дан юқори бўлган бўлар эди.

ХХ асрнинг охирги ўн йиллигида олинган дастлабки реал экспериментал натижалар катта баҳс-мунозараларга сабаб бўлди, янги илмий йўналиш – квант информатикани пайдо этди. Натижада ахборотни узатиш ва қайта ишлаш техникасида инқилобий ўзгаришлар кузатилди.

Магнит тузоқ ёрдамида тутиб олинган электрон, спинининг магнит майдони йўналишига проэктсияси фақат икки қийматдан биттасини СЗ=+1/2 ва СЗ=-1/2 қабул қилиши мумкин. Бу инфор­матикада қўлланиладиган мантиқ: «1» ва «0» деб қаралиши мумкин.

Магнит молекулаларнинг юқорида тилга олинган хоссалари квант компютерларини яратиш, квант телекоммуникатсия ва криптографияда катта қизиқиш уйғотмоқда.

Нано нима?

Кейинги ўн йилликда жаҳон жамоатчилиги луғат бойлигига «нано» сўзи кириб келди. Хўш, «нано» нима? Қисқа қилиб айтганда, нано миллиарддан бир қисмдир.

Нанотехнология тушунчаси учун тугал ва аниқ ифода йўқ, аммо мавжуд микро­тех­нология асосида бу ўлчамларни на­но­метрдаги технология деб юритиш мумкин. Шунинг учун микродан нанога ўтиш бу моддани бошқаришдан атомни бошқаришга ўтиш демакдир. Соҳанинг ривожи деганда эса асосан учта йўналиш тушунилади:

– ўлчами атом ва молекулалар ўлчамлари билан солиштирарли электрон схемаларни тайёрлаш;

– наномашиналарни лойиҳалаш ва ишлаб чиқиш;

– алоҳида атом ва молекулаларни бош­қариш ва улардан алоҳида микрообъектларни йиғиш.

Бу йўналишдаги изланишлар анча вақтдан буён олиб борилмоқда. 1981 йилда туннелли микроскоп яратилиб, алоҳида атомларни кўриш мумкин бўлди. Шундан буён технология сезиларли такомиллаштирилди. Бугун бу ютуқларни кундалик ҳаётда ишлатамиз: лазерли дискларни ишлаб чиқариш, жумладан, ДВД дисклардан нанотехнологик усулсиз фойдаланиш мумкин эмас.

Соҳа тараққиётидаги асосий босқичларни бир эслаб кўрайлик.

1959 йил. Нобел мукофоти соҳиби Ричард Фейнман келажакда алоҳида атомларни бошқариб, одам ҳар қандай моддани синтез қилиши мумкинлигини башорат қилди.

1981 йил. Биниг ва Рорер томонидан моддалардан атомлар даражасида таъсир қила оладиган сканерловчи туннел микроскопнинг яратилиши.

1982-85 йиллар. Системаларда атомар аниқликка эришилди.

1986 йил. Атом қувватли микроскоп яратилиб, у туннел микроскопидан фарқли равишда ҳар қандай, масалан, ток ўтказмайдиган материал билан ҳам таъсирлаша олади.

1990 йил. Алоҳида атомларни бошқаришга эришилди.

1994 йил. Саноатда нанотехнологик усулларнинг қўлланила бошланиши.

Нанороботлар даври бошланяптими?

Кўпгина мутахассислар микротехнология тарихи Ричард Фейнманнинг 1959 йили Америка физиклар жамиятида ўқиган машҳур маърузасидан сўнг бошланган деган фикрда. У микротехнология потентсиалини бой бўёқларда тасаввур этади. Маърузаларида компютерлар, ахборотни сақлаш қурилмалари, электрон қисмлар ва роботлар митти ҳолатда тасвирланган эди. Фейнманнинг микроэлектроника борасидаги башоратлари тез (аниқроғи, 1960-70 йилларга келибоқ) амалга ошди. 1980 йилда эса этакчи университетлар ва давлат лабораторияларида нисбатан арзон усулларда митти механик деталлар яратила бошланди. Бунинг учун микроэлектромеханик системалар (МEМС) технологияси ишлаб чиқилди.

Амалда МEМСнинг илк тижорат маҳсулоти пайдо бўлиши учун 30 йил керак бўлди. Кенг тарқалган дастлабки МEМС технологиялари тезланиш сенсорлари хорижда ҳар бир автомобилга ўрнатилиб, тўқнашувни пайқаш ва ҳаво ёстиқчасини ишга тушириш учун ишлатиларди. Ҳозир йилига 50 миллионта бу каби сенсорлар ишлаб чиқарилади. Шунингдек, «Сандия» фирмаси ҳам самарали микроскопик сенсорлар ярата бошлади. 1990 йили яратилган автоном робот МАРВ 1 куб дюйм ҳажмда бўлган, 2000 йилга келиб эса унинг ўлчамларини 4 марта кичиклаштиришга имкон туғилди. Бу каби роботлар компютер орқали бошқарилади, бажарадиган вази­фалари эса турли-туман. Ишлаб чиқа­рувчиларнинг фикрича, уларнинг асосий вазифалари бомба ва миналарни, хавфли био­логик, кимёвий ва радиоактив модда­ларни қидириб топиш ҳамда зарарсиз­лантиришдан иборат. Шу билан бирга, роботлардан инсон фаолиятини назорат қилиш, разведкада ва бошқа мақсадларда фойдаланиш мумкин.

Ионлар имплантацияси ва квант тузилмалар

Ионлар имплантацияси – бу асос материал таглик (масалан, кремний)га бошқа элемент (масалан, Ге, Мн, Фе, Ни) ионларини бомбардимон қилиб киритишдир.

Бунда тагликка мўлжалланган миқдорда бегона атомларни ионлар энергияси ва дозасини бошқариш орқали киритилади. Киритилган катта миқдордаги ва ному­возанатдаги атомлар ўз-ўзидан ташкил­лашиш жараёнлари туфайли катта сондаги 10 000 тагача атомларнинг бир нуқтадаги бирикмалари – нанокластерни ҳосил қилади ва улар квант хусусиятлилар дейилади.

Кейинги йилларда ярим ўтказгичлар сиртида КНларни ионлар имплантатсияси усули ёрдамида ҳосил қилиш ва уларнинг хоссаларини ўрганиш шиддат билан ривожланмоқда. Жумладан, жаҳондаги кўплаб илмий марказларда кремний кристалига германий ионларини имплантатсия қилиш ёрдамида КНлар ҳосил бўлиши, уларнинг шакли ва хоссаларга таъсирини ўрганишга бағишланган қатор илмий ишлар мавжуд.

Ҳозирги замон электрон техникасининг асосий материали бўлиб ҳисобланган кремний кристалларида бундай объектларни ҳосил қилиш жуда истиқболли масала ҳисобланади. Кремний кристалига киритиладиган аралашмалар миқдори уларнинг кремнийдаги эрувчанлиги билан чегараланган. Бу чегарани ўзгартириш учун қўлланиладиган усуллардан бири ионлар имплантатсияси усулидир. Ўтиш гуруҳига кирувчи элементлар атомларини кремнийга киритиш уларнинг физик ва рекомбинатсион параметрларини тубдан ўзгартириб юборади. Шу туфайли, бундай аралашмалар киритилаётган кремний намуналари ўта сезгир датчиклар сифатида халқ хўжалигининг турли соҳаларида ишлатилади. Бундай аралашмалардан ташкил топган КНларни ҳосил қилиш ҳам, албатта, амалий жиҳатдан жуда қизиқарлидир.

Ионлар имплантатсияси ёрдамида кремний кристалига киритилган Фе+ ва Мн+ ионларининг КНларни ҳосил қилиш шароитлари ва уларнинг электрофизик ва фотоэлектрик хоссаларга таъсирини ўрганишга бағишланган қатор тажрибалар ўтказилган. Ҳақиқатдан ҳам, КНга эга бўлган бундай намуналарда спектрнинг яқин ва ўрта инфрақизил соҳасида аномал равишда катта бўлган фото сезгирлик, турли хил ток нотурғунликлари, гигант магнит қаршилиги ва шунга ўхшаш жуда кўп қизиқарли ҳамда амалий жиҳатдан истиқболли натижалар олинган. Улар темир ҳамда ўтиш гуруҳига кирувчи элементлар атомларининг ионлашган ҳолатида мураккаб молекулалар (масалан: Мн6, Мн12, Фе8, Фе10 ва ҳ.к.), яъни КНлар ҳосил бўлиши билан тушунтирилади.

Дарҳақиқат, сўнгги даврларда ўтиш гуруҳи элементлари – Фе, Cо, Ни, Мн кабиларнинг маълум шароитларда кислород, водород ва углерод атомлари билан ўзаро таъсирлашиб ўз-ўзидан ташкилланиш жараёнлари туфайли жуда катта спинга эга бўлган (С=12) улкан магнит молекулаларнинг ҳосил бўлиши, уларнинг магнит хоссаларини ўрганиш жа­дал суръатлар билан амалга оширилмоқда. Бундай молекулалар махсус технология ёрдамида олинган, уларнинг магнит хоссалари жуда паст ҳароратларда намоён бўлиши аниқланган. Бундан ташқари, мазкур турдаги молекуляр системани ташкил қилувчи магнит молекулалар (улар КНлар ҳам деб аталади) тўлқин функтсиялари корреля­тсиясини таъминлашнинг мураккаблиги, яъни уларнинг хоссаларини башорат қилиш қийинлиги туфайли уларни амалиётда ишлатиш муаммолари ҳануз ҳал этилмаган.

Квант тузилмаларнинг қўлланилиши

Ҳозирданоқ квант тузилмалар электрониканинг барча жабҳаларида кенг қўлланила бошланган. Хусусан, квант тузилмалар асосида яратилган ўта юқори частотали туннел диодлар, транзисторлар, ярим ўтказгичли лазерлар, турли датчиклар ва сенсорлар, квант компютерлар учун микропротсессорлар замонавий электро­никанинг асоси бўлиб ҳисобланмоқда.

Резонансли туннел диод – классик заррача, тўлиқ энергияси потентсиал тўсиқ энергиясидан катта бўлсагина ундан ошиб ўтади, кичик бўлса заррача тўсиқдан қайтади ва тескари томонга ҳаракатланади. Квант заррача эса бошқача ҳаракатланади: унинг энергияси этарли бўлмаса ҳам тўсиқни тўлқин каби энгиб ўтиши мумкин. Тўлиқ энергияси потентсиал энергиядан кам бўлса ҳам тўсиқни ошмасдан ўтиш эҳтимоли мавжуд экан. Бу квант ҳодиса «туннел самараси» номини олди ва у резонансли туннел диодида фойдаланилади.

Квант чуқурликлари асосидаги лазерлар

Квант тузилмалар лазерлар тайёрлашда муваффақиятли қўлланилмоқда. Бугунги кунда квант чуқурликлар асосида яратилган самарали лазер қурилмалари истеъмолчилар бозорига этиб борди ва толали-оптик алоқада муваффақиятли қўлланилмоқда. Қурилмалар тузилиши ва ишлаши қуйидагича: биринчидан, ҳар қандай лазер учун энергетик сатҳларнинг инверс зичланишини ошириш лозим. Бошқача айтганда, юқори энергетик сатҳда қуйи сатҳдагига қараганда кўпроқ электронлар жойлашиши керак бўлиб, термик мувозанат ҳолати пайтида бунинг акси бўлади. Иккинчидан, ҳар бир лазерга оптик резанатор ёки электромагнит нурланишни ишчи ҳажмга тўплайдиган қайтаргичлар системаси зарур.

Квант чуқурликни лазерга айлантириш учун уни электронлар кирувчи ва чиқиб кетувчи икки контактга улаш лозим. Контакт орқали электрон ўтказувчанлик зонасига кирган электрон сакраб, ўтказувчанлик зонасидан валент зонасига ўтади ва ортиқча энергиясини квант, яъни электромагнит тўлқин шаклида нурлантиради. Кейин валент зонадан бошқа контакт орқали чиқиб кетади. Квант механикасида нурланиш частотаси (5) шарт билан аниқланиши маълум. Бу ерда Эс1, Э в1 мос ҳолда ўтказувчанлик зонаси ва валент зонадаги биринчи энергетик сатҳлар энергияси.

Лазер ҳосил қилган электромагнит нурланиш асбобнинг марказий ишчи соҳасида тўпланиши лозим. Бунинг учун ички қатламларнинг синдириш кўрсаткичи ташқариникидан катта бўлиши керак. Ички соҳа тўлқин узатгич вазифасини ўтайди дейиш ҳам мумкин. Тўлқин узатгич чегараларига қайтарувчи ойналар ўрнатилиб, улар резонатор вазифасини бажаради.

Квант чуқурликлар асосидаги лазерлар оддий ярим ўтказгичли лазерларга қараганда қатор афзалликларга эга. Уларга қуйидагиларни киритиш мумкин: генера­тсияланаётган лазер частотасини бошқариш имкони, оптик нурланишда бефойда сўнишнинг камлиги, инверс зичланишни ҳосил қилиш электрон газларда осонлиги туфайли кам ток талаб қилинади ва кўпроқ ёруғлик берилади. Шу туфайли уларнинг фойдали иш коэффитсиэнти 60 фоизгача этади.

Ҳозирда ҳам квант чуқурликлар асосида лазерлар тайёрлаш бўйича дунёнинг кўпгина лабораторияларида кенг қамровли ишлар олиб борилмоқда. Айнан толали-оптик алоқада қўлланилаётган лазерлар яратишдаги хизматлари учун 2003 йили рус олими Ж. Алфёровга Нобел мукофоти берилган эди.

Истиқбол қандай?

Бугун нанотехнологиянинг қуйидаги устувор ривожланиш йўналишлари мавжуд:

1. Тиббиёт. Одамнинг танасида пайдо бўладиган барча касалликларнинг олдини олувчи ёки даволовчи молекуляр наноро­ботларни яратиш. Амалга ошиш муддати – ХХI асрнинг биринчи ярми.

2. Геронтология. Инсонларнинг жисмоний боқийлигига, одам танасидаги ҳужайралар қирилишининг олдини олувчи, одам орга­низми тўқималарининг ишлашини яхшилаш ва қайта қуриш учун молекуляр роботларни киритишга эришиш. Амалга ошиш муддати – ХХI асрнинг тўртинчи чораги.

3. Саноат. Истеъмол молларини ишлаб чиқаришда анъанавий усуллардан фой­даланишдан бевосита атом ва молеку­лалардан йиғишга ўтиш. Амалга ошиш муддати – ХХI асрнинг боши.

4. Қишлоқ хўжалиги. Озиқ-овқатни табиий ишлаб чиқарувчиларни (масалан, ўсимликлар ва ҳайвонлар) молекуляр роботлардан тузилган функтсионал ўхшашларига алмаштириш. Улар тирик организмда содир бўладиган кимёвий жараёнларни қисқароқ ва самаралироқ йўл билан амалга оширишади. Масалан, «тупроқ-ис гази-фотосинтез-ўт-сигир-сут» занжиридан барча ортиқча бўлимлар олиб ташланади. Фақат «тупроқ-ис гази-сут (қатиқ, ёғ, гўшт)» қолади. Бундай «қишлоқ хўжалиги» самарадорлиги об-ҳаво ва оғир меҳнат шароитига боғлиқ бўлмайди. Унинг ишлаб чиқариш ҳажми озиқ-овқат муаммосини биратўла ҳал қилади. Амалга ошиш муддати – ХХI асрнинг иккинчи-тўртинчи чораклари.

5. Биология. Тирик организмга атомлар даражасидаги наноэлементларни киритиш мумкин бўлади. Бунинг оқибатлари турлича бўлиб, йўқолиб кетган турларни тиклашдан тортиб, янги турдаги жонзотлар биоробот­ларини яратишга олиб келиши мумкин. Амалга ошиш муддати – ХХI аср.

6. Экология. Инсон фаолиятининг атроф-муҳитга таъсирини тўлиқ бартараф қилиш. Бунга биринчидан, экосферани инсон фаолияти чиқиндиларини бошланғич хом-ашёга айлантирувчи молекуляр робот-санитарлар билан тўлдириш, иккинчидан эса саноат ва қишлоқ хўжалигини чиқиндисиз нанотехнологик усулга ўтказиш билан амалга ошириш мумкин. Амалга ошиш муддати – ХХI аср.

7. Коинотни ўзлаштириш. Коинот «одатий» йўл билан эмас, балки нано­роботлар орқали ўзлаштирилади. Робот-молекулаларнинг улкан армияси Ер атрофидаги фазога чиқарилади ва уни инсон яшаши учун яроқли ҳолатга келтиради. Ой, астероидлар ва яқин планеталарда инсон яшаши учун космик стантсиялар қуриш. Бу ҳозирда мавжуд бўлган усуллардан арзон ва хавфсиз бўлади.

8. Кибернетика. Ҳозирда мавжуд бўлган планар структуралардан ўлчамлари молекулар ўлчамига тенг бўлган ҳажмий микросхемаларига ўтиш содир бўлади. Компютерларнинг ишчи частотаси терагертс қийматга этади. Нейронга ўхшаш элемент­лардан тузилган схемалар пайдо бўлади. Оқсил молекулаларидан тузилган хотира ҳажми терабайтларда ўлчанадиган, сақлаш даври узоқ бўлган хотира элементлари пайдо бўлади. Инсон ақлини компютерга «кўчириш» мумкин бўлиб қолади. Амалга ошиш муддати – ХХI асрнинг иккинчи чораги.

9. Ақлли яшаш муҳити. Барча ташкилий қисмларга мантиқ элементларини киритиш ҳисобига биз яшаётган атроф-муҳит «ақлли» ва инсон яшаши учун тўла қулай бўлиб қолади. Амалга ошиш муддати – ХХI асрдан кейин.

Хулоса ўрнида таклиф

Юқоридагилардан келиб чиқиб, бир қанча амалий таклифлар киритишни мақсадга мувофиқ деб топдик. М. Тоировнинг давлатимизда «Нанотехнология» журналини ташкил этиш таклифини қўллаб-қувватлаш лозим. Мамлакатимизнинг барча табиий-илмий ва олий техника ўқув юртларида квант механикаси ўқув предметини давлат таълим стандартига киритиш ҳам фойдадан холи эмас. Шунингдек, олий ўқув юртларининг физика, физика-техника, кимё факултетларида «нанотехнология» ва «наноматериаллар» таълимининг кенг йўлга қўйилиши, бу йўналишлар бўйича бакалавр ва магистратура таълим босқичларининг ҳамда нанотехнология кафедраларининг ташкил этилиши юртимизда мазкур соҳанинг истиқболини белгилаб берувчи омиллардан бўлиши, шубҳасиз.

О.Қувондиқов,
СамДУ профессори, физика-математика фанлари доктори,
Э.Арзиқулов,
физика-математика фанлари номзоди, дотсент,
Ж.Рўзимуродов,
аспирант
“Маърифат” газетасидан олинди.