Как нобелевские лауреаты по химии материализовали квантовые точки

N+1Наука

Шрёдингер в телевизоре

Как нобелевские лауреаты по химии материализовали квантовые точки

Михаил Бойм

Внутри телевизоров нового поколения QD-OLED светятся нанокристаллы. Некоторые из них побольше и испускают красные лучи, другие, поменьше, — зеленые, хотя все они состоят из одних и тех же солей кадмия. А все потому, что у очень маленьких частиц полупроводника — квантовых точек — размер кристалла напрямую влияет на свойства электронов внутри него. Этот эффект физики предсказали еще сотню лет назад, во времена первых телевизоров на электронно-лучевых трубках, — но подтвердить и тем более применить смогли сильно не сразу. Рассказываем, как Нобелевские лауреаты по химии этого года превратили теоретическое предсказание в современный телевизор, солнечную батарею и средство для диагностики рака.

Электроны взаперти

В 1925 году Эрвин Шрёдингер вывел уравнение, которое должно было описывать изменение энергетического состояния любых квантовых частиц — и одиночных, ни с кем не взаимодействующих, и внутри вещества, например в кристалле.

В теории кристаллическая решетка бесконечная, электроны разных атомов не отличаются между собой, и их можно описать как одинаковые квантовые частицы в усредненном периодическом поле. При таком описании уравнение предсказывает наличие сплошных энергетических зон — то есть значения энергии электронов в кристаллической решетке ограничены, но не дискретным образом.

Но в другом пределе — для одного атома вне кристаллической решетки — энергия одной частицы строго дискретна и может принимать только заданные значения.

К 1929 году, когда уравнение Шрёдингера уже вошло в учебники по квантовой механике, стало понятно, что между предельными случаями есть промежуточное состояние. Когда атомов уже много, но еще не столько, чтобы можно было считать сложенную из них решетку бесконечной, энергия электрона все еще квантуется — но те значения, которые она может принимать, должны зависеть от размера системы. Это явление стали называть квантовым размерным эффектом.

С точки зрения формул, такую систему можно представить как частицу, ограниченную потенциальными барьерами. Ее энергия квантуется, если пространство, ограниченное этими барьерами, по размеру сопоставимо с длиной волны де Бройля самой частицы.

Совсем скоро, в 1937 году, немецкий физик Герберт Фрёлих показал, как этот эффект должен проявляться в реальности: некоторые свойства металлов, например удельная теплоемкость, должны зависеть от размера металлического образца. Проблема была в том, что подтвердить эту гипотезу тогда было невозможно — как подсчитал сам Фрёлих, размер куска металла должен быть сопоставим с длиной волны де Бройля. То есть понадобились бы металлические частицы размером около десяти нанометров, да еще и охлажденные практически до абсолютного нуля.

Но в 1962 году советский физик Владимир Сандомирский обнаружил, что можно обойтись и частицами покрупнее. Согласно его расчетам, эту зависимость должно быть намного легче увидеть, если взять не металл, а полупроводник. Дело в том, что эффективная масса электрона в полупроводнике меньше, чем в проводящем металле, а значит и частицу можно брать побольше, и температуру повыше.

И с этого момента физики стали находить подтверждения разработанной теории — для этого оказалось достаточно нанести на подложку полупроводниковую пленку (например сульфида кадмия) толщиной в несколько нанометров. Эксперименты показывали, что свойства электронов в нанометровом слое действительно зависят от его толщины. Проблема в том, что на пленку могли влиять и свойства подложки — и непосредственного подтверждения гипотезы Фрёлиха в изолированном образце полупроводника к концу 70-х годов все еще не было.

5d1f72511d17a7439219e53bf956e597.jpg
Сверху — зависимость количества уровней энергии (плотность состояний) от энергии в тонкой пленке (сплошная линия) и в макрокристаллическом образце (пунктирная линия) полупроводника. Снизу — зависимость количества уровней энергии от толщины пленки. M. Elinson et al. / Thin Solid Films, 1972

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Святая вода из Эфиопии вызвала семь случаев устойчивой холеры в Европе Святая вода из Эфиопии вызвала семь случаев устойчивой холеры в Европе

Вспышка холеры в Европе: во всем виновата святая вода из Эфиопии

N+1
Дорогое имя: как и зачем клубы продают названия своих стадионов Дорогое имя: как и зачем клубы продают названия своих стадионов

Почему практика продажи названий стадионов нужна клубам и спонсорам?

Forbes
Ученые расшифровали, как мы ощущаем вкус сладкого Ученые расшифровали, как мы ощущаем вкус сладкого

Как язык воспринимает сладость, какой рецептор отвечает за влечение к сахару?

ТехИнсайдер
«Я — Сноб»: актер и режиссер Георгий Иобадзе «Я — Сноб»: актер и режиссер Георгий Иобадзе

О необходимости метаморфоз и творчестве, которое наполняет и окрыляет

СНОБ
50 лет исследований показали: эти 4 ошибки разрушают брак 50 лет исследований показали: эти 4 ошибки разрушают брак

Четыре стратегии общения, которые могут привести к расставаниям и разводам

Inc.
«Певица», «авторка», «фруктиса»: что лингвисты думают о феминитивах «Певица», «авторка», «фруктиса»: что лингвисты думают о феминитивах

Отрывок из книги «В начале было кофе» — о спорных аспектах русского языка

Forbes
Секреты скорочтения: как научиться быстро читать и не отвлекаться от содержания Секреты скорочтения: как научиться быстро читать и не отвлекаться от содержания

Прочитать одну книгу за вечер — навык, которым может овладеть любой человек

ТехИнсайдер
В глубинах сапфировых облаков: путешествие на Нептун В глубинах сапфировых облаков: путешествие на Нептун

Так ли на Нептуне всё тихо и спокойно, как кажется на первый взгляд?

Наука и жизнь
Ментальная связь: что это такое и как ее разорвать. Советы психологов Ментальная связь: что это такое и как ее разорвать. Советы психологов

У ментальной связи вполне объяснимые признаки и причины

РБК
10 лучших сериалов про семью и отношения за последние 10 лет 10 лучших сериалов про семью и отношения за последние 10 лет

10 любопытных сериалов об отношениях — счастливых и не очень

Правила жизни
«Букхоппинг»: как книжные магазины стали модными культурными пространствами «Букхоппинг»: как книжные магазины стали модными культурными пространствами

Как изменилась атмосфера в книжных магазинах и почему стало модным туда ходить

Forbes
Можно ли жить в браке, не отказываясь от свободы: 3 совета Можно ли жить в браке, не отказываясь от свободы: 3 совета

Может ли быть счастливым брак, в котором партнеры постоянно жертвуют собой?

Psychologies
«Я буду первопроходцем»: как Шейла Фицпатрик уже более 60 лет изучает историю СССР «Я буду первопроходцем»: как Шейла Фицпатрик уже более 60 лет изучает историю СССР

Профессор Шейла Фицпатрик — о цикличности российской истории

Forbes
Личностный рост Личностный рост

Что такое личностный рост и какие шаги предстоит сделать для саморазвития?

Лиза
От Соломона Нортапа до Виктора Пелевина: 7 книг о свободе От Соломона Нортапа до Виктора Пелевина: 7 книг о свободе

Романы, в которых герои в том или ином смысле ищут свободы и освобождения

СНОБ
Жаворонки и совы: нейробиолог объясняет, кто самый счастливый Жаворонки и совы: нейробиолог объясняет, кто самый счастливый

Счастливы ли жаворонки? Или совы счастливее?

ТехИнсайдер
Неделя, чтобы измениться к лучшему: упражнения на каждый день Неделя, чтобы измениться к лучшему: упражнения на каждый день

О том, как всего за одну неделю сделать свою жизнь лучше

Psychologies
Сознание ребенка формируется еще до рождения: как быть родителям Сознание ребенка формируется еще до рождения: как быть родителям

Уже во время беременности матери у ребенка может быть базовое сознание

Psychologies
Антитела к белкам зубной эмали упростили определение пола ископаемых останков Антитела к белкам зубной эмали упростили определение пола ископаемых останков

Исследователи разработали новый метод определения пола древних людей

N+1
Опасный маневр: почему дельфины так любят плыть впереди корабля? Опасный маневр: почему дельфины так любят плыть впереди корабля?

Из-за каких причин дельфины плавают прямо перед носом корабля?

ТехИнсайдер
От науки к плите От науки к плите

«Уроки химии»: слишком традиционный феминистский сериал

Weekend
6 мужских домыслов о том, что доставляет женщине сексуальное удовольствие 6 мужских домыслов о том, что доставляет женщине сексуальное удовольствие

Какими мифами руководствуются мужчины, желая доставить удовольствие женщинам

Psychologies
Враждебный сексизм у родителей связали с авторитарным стилем воспитания детей Враждебный сексизм у родителей связали с авторитарным стилем воспитания детей

Родители с враждебным сексизмом предпочитают авторитарный стиль воспитания

N+1
Узнай лжеца по выражению лица Узнай лжеца по выражению лица

Физиогномика: метод определения личности человека или лженаука?

Зеркало Мира
Ой, мамочка! Счастливые истории женщин, которые родили после 40 Ой, мамочка! Счастливые истории женщин, которые родили после 40

Родить ребенка после 40 лет – это событие. Радостное, конечно

Лиза
«Мама, можно я буду толстой?» Вопросы о поиске себя и принятии своей внешности «Мама, можно я буду толстой?» Вопросы о поиске себя и принятии своей внешности

Как за невероятным успехом может скрываться неуверенность и страх

СНОБ
Виноваты звезды: какие косметологические процедуры популярны благодаря селебрити Виноваты звезды: какие косметологические процедуры популярны благодаря селебрити

Какие процедуры становятся популярными благодаря селебрити

Forbes
Выплыть из омута: фильмы про абьюз, одержимость и выход из нездоровых отношений Выплыть из омута: фильмы про абьюз, одержимость и выход из нездоровых отношений

11 фильмов про абьюз, которые стоит посмотреть

Forbes
Северяне под Нарвой Северяне под Нарвой

Весной 1919 года для красного Петрограда возникла первая угроза

Дилетант
Константин Маслаков: «Эволюция городов связана с развитием метро» Константин Маслаков: «Эволюция городов связана с развитием метро»

Метро остается одним из самых экологичных видов транспорта

РБК
Открыть в приложении