Грандиозный прорыв в материалах будущего совершила международная команда ученых из России и Японии при участии Александра Квашнина из Сколтеха, а также выдающегося химика Артема Оганова, профессора МФТИ и Сколтеха. Им удалось добиться того, что считалось невозможным: синтезировать абсолютно плоский материал на основе окиси меди. Это открытие способно заложить фундамент технологий «завтра», включая создание совершенной памяти для вычислительных систем и квантовых компьютеров нового поколения.
Переосмысление возможностей: плоские материалы взамен трехмерных
Долгое время наука не рассматривала иных материалов, кроме традиционных трехмерных. Однако в середине XX века идеи о существовании двумерных, «плоских» атомных кристаллов были подтверждены теоретически. Апогея эти разработки достигли около 20 лет назад, когда мир увидел графен. Его открыли два физика российского происхождения — Андрей Гейм и Константин Новоселов. Благодаря их исследованию стало ясно: элементы таблицы Менделеева обладают огромным потенциалом для создания сверхтонких кристаллов с неожиданными свойствами.
С этого времени началась настоящая гонка по поиску и синтезу все новых подобных материалов. Помимо известных графеновых структур были получены слоистые материалы не только из углерода, но и с участием других элементов, а также их соединений. Особый интерес вызвали «плоские» магниты и сверхпроводники, устройства на основе которых могут совершить настоящую технологическую революцию в электронике, спинтронике и вычислениях.
Экспериментальное чудо: плоский оксид меди
В то время как большинство ученых мира скептически относились к идее создания устойчивого двумерного кристалла на базе окиси меди, команда Александра Квашнина решила проверить гипотезу на практике. Вопрос заключался не только в теоретическом моделировании, но и в успешном синтезе реального материала. В центре внимания был оксид меди, давно известный физикам своей причастностью к эффекту высокотемпературной сверхпроводимости.
Однако попытки получить плоский оксид меди долгое время наталкивались на опасения касательно его стабильности. Скептики полагали, что материал попросту не может существовать без разрушения в обычных условиях. Российские и японские исследователи опровергли эти сомнения блестящими экспериментами и структурными расчетами.
Технология синтеза и роль российских ученых
Для прорыва была использована революционная методика, в основе которой лежит точное размещение слоев оксида меди между другими плоскими материалами, например, между листами графена. Здесь свое важное слово сказал усовершенствованный алгоритм USPEX, разработанный Артемом Огановым, признанным мировым лидером по химическому прогнозированию и конструированию новых кристаллических структур.
Детализированные вычисления показали оптимальные комбинации условий синтеза, при которых слой окиси меди формируется стабильно, без разрушения даже при повышенных температурах. Именно такой подход позволил впервые реализовать абсолютно плоский и устойчивый материал, свойства которого детально изучались коллективом под руководством Квашнина. Выяснилось, например, что структура нового кристалла представляет собой не шестиугольную, как у графена, а прямоугольную решетку, что принципиально отражается на поведении электронов в подобных слоях.
Перспективы применения: от спиновой электроники к квантовым компьютерам
Открытие уникального материала не только позволяет взглянуть по-новому на возможные формы существования атомов, но и открывает перед наукой и индустрией огромные и заманчивые перспективы. Благодаря отличительной прямоугольной структуре и регулируемым электронным свойствам, вновь полученный двухмерный оксид меди может стать идеальной платформой для современной спинтроники — направления, где информация кодируется не зарядом электрона, а его спином, что в разы повышает скорость и энергоэффективность будущих электронных устройств.
Широкие горизонты открываются и для квантовой вычислительной техники. Двумерные материалы, имеющие устойчивую форму при комнатной и даже повышенной температуре, могут лечь в основу инновационных квантовых ячеек, элементной базы сверхбыстрых и энергоэффективных машин будущего.
Вклад Сколтеха, МФТИ и международного сотрудничества
Исследование является ярким примером синергии междисциплинарных коллективов и международного научного взаимодействия. Немалую роль сыграло объединение передового компьютерного моделирования, экспериментов под руководством ведущих ученых России и Японии, а также ноу-хау Сколковского института науки и технологий и МФТИ. Александр Квашнин и Артем Оганов продемонстрировали, как тесное соединение теории и практики способствует возникновению по-настоящему новаторских материалов.
Создание абсолютно плоской окиси меди стало важной вехой на пути к новым сверхматериалам, а также стимулом для дальнейших открытий в области физики твердого тела, физической химии и нанотехнологий. Этот прорыв еще раз доказывает: сотрудничество российских ученых и их зарубежных коллег рождает решения, ранее считавшиеся невозможными.
Будущее новых материалов: за пределами привычного
Обнаружение и подтверждение устойчивости плоских оксидов меди ясно показывает — возможности по созданию нетипичных материалов с уникальными свойствами только начинают открываться миру. В самом ближайшем времени можно ожидать появления новых искусственно созданных структур с неповторимыми характеристиками, которые зададут новый стандарт в технологиях хранения и обработки информации, квантовых вычислениях и сверхскоростной электронике.
Таким образом, труд Александра Квашнина, Артема Оганова, их команд из Сколтеха и МФТИ, подтверждает, что Россия вновь становится одним из мировых лидеров в области передовых материалов. Яркий оптимизм и научная смелость в сочетании с мощной исследовательской базой вдохновляют на дальнейшие шаги в исследовании неизведанных горизонтов науки.
Источник: scientificrussia.ru
