ОПАЛОВЫЕ МАТРИЦЫ КАК МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ
Кумисбек Г.М., kumisbekgani@gmail.com
Евразийский национальный университет им. Л.Н.Гумилева, Астана
В 2010 году автор в составе делегации от ЕНУ им. Л.Н.Гумилева проходил тренинг по
космической тематике в Берлинском техническом университете. В рамках программы визита
группа посетила Берлинский технический музей. Автора очень заинтересовали изобретения
Конрада Зузе, который в 30-х годах прошлого столетия построил на электромагнитных реле
первый в мире работоспособный компьютер.
Анализ истории развития компьютерной техники может помочь пониманию тенденции
развития компьютерной техники в эру квантовых компьютеров. Каждый этап развития
компьютерной техники иллюстрируется в докладе фотографиями, сделанными автором с
разрешения служащих музея.
220
История развития компьютерной техники начинается с работ философа и математика
Готфрида Вильгельма Лейбница, который в 1705 году составил полное описание двоичной
системы счисления.
В 1938 году берлинский инженер Конрад Зузе создал полностью программируемую и
программно-управляемую вычислительную машину. В 1941 году Зузе собрал первый в мире
полноценный компьютер.
Крупными вехами в развитии компьютерной техники отметились английские
математики Чарльз Баббидж (1833), Джордж Буль (1847), Алан Тюринг (1937), американцы
Герман Холлериц (1886), Джон фон Нейман (1945), Клод Шеннон (1948), Джек Килби
(1958), Дуглас Энгельбарт (1968). В последующем активную роль в развитии компьютерной
техники сыграли крупные и некрупные инновационные компании (АйБиЭм, Майрософт,
Эппл, Гугл и т.д.).
Список самых быстрых компьютеров в мире возглавил в июне 2010 американский
суперкомпьютер КРЭЙ ЯГУАР, близко к нему подобрался китайскими НЕБУЛАЙ. За
секунду эти высокоэффективные компьютеры могут выполнить больше триллиона операций.
Специалисты считают, что через 4 года привычные кремниевые микросхемы достигнут
предела своего развития [1].
На смену классическому компьютеру придут принципиально новое устройство -
квантовый компьютер. Канадская компания «Ди-Вейв» на конференции в Калифорнии в
2007 году впервые представила процессор на элементарных частицах. Атомы в процессоре
охлаждаются до сверхнизкой температуры, а лазерный луч передает им задачу и снимает
решение.
Квантовый компьютер сам является квантовым объектом. Он состоит из большого
числа кубитов - квантовых систем всего с двумя состояниями. Это могут быть ионы,
электроны, сверхпроводники - все то, что ведет себя по квантовым законам. На обычном
компьютере моделировать работу квантового компьютера не удастся. Объем задачи столь
велик, что суперкомпьютер не справится. Даже для того чтобы ввести задачу, требуются
огромные объемы памяти и скорости обработки. Поэтому для моделирования квантовых
систем единственный вариант - использовать квантовый компьютер.
Ученые из японского научного и технологического агентства, Института физических и
химических исследований РИКЕН, а также компании NEC разработали систему, способную
фиксировать различия в состоянии квантовых битов или кубитов [2].
В качестве объектов исследования, которые мы рассматриваем как возможные
материалы для квантовых компьютеров, выступает искусственно синтезированный опал, в
порах которого можно разместить квантовые точки, а, следовательно, и кубиты.
Синтетические опалы - пористые среды, каркас которых построен из образующих
регулярную
гранецентрированнную
кубическую
решетку,
плотно
упакованных
монодисперсных сферических частиц аморфного оксида кремния диаметром от сотен до
тысяч нанометров, являются перспективным материалом для формирования трехмерных
наноструктур. При заполнении межсферических пустот и соединяющих их каналов материа-
лами внедрения получаются наноструктуры с уникальными оптическими, магнитными и
электрическими свойствами. Причем, контролируя степень заполнения пор в опаловых
матрицах, можно формировать наноструктуры с заданными характеристиками.
Использование в качестве материалов внедрения металлов приводит к созданию
металло-диэлектрических ЗD-нанокомпозитов. Такие структуры могут обладать свойствами
фотонного кристалла с расширенной (вплоть до радиодиапазона) по сравнению с незапол-
ненным синтетическим опалом фотонной запрещенной зоной. Причем, в области фотонной
запрещенной зоны у металлических фотонных кристаллов наблюдается возрастание
магнито-оптических эффектов Керра и Фарадея. Внедрение в пустоты ферромагнитных
материалов позволяет получить упорядоченно расположенные магнитные зерна
нанометрового размера. Соответственно, такие структуры демонстрирует эффект магнитного
упорядочения.
221
Указанные эффекты делают металлодиэлектрические композиты на основе синтети-
ческого опала перспективными материалами при создании управляемых волноводов, эле-
ментов магнитной памяти высокой емкости, датчиков магнитных полей и устройств связи
тера- и гигагерцового диапазона.
Непосредственно опаловые матрицы, т.е системы на основе упорядоченных наносфер
кремнезема Si0
2
, получают осаждением монодисперсных частиц диоксида кремния из
коллоидного раствора. Для этого используется ряд отработанных методов и их комбинаций:
седиментация, выпаривание растворов, центрифугование, вертикальное вытягивание,
электрофорез.
Внедрение материалов в межглобулярные пустоты опаловой матрицы может быть
осуществлено различными способами: электрохимическим осаждением, химическим
осаждением из газовой фазы, в том числе, и стимулированным плазмой химическим
осаждением в вакууме, другими вакуумными методами, одновременным с частицами
диоксида кремния осаждением из коллоидного раствора, многократной пропиткой,
наполнением пустот расплавами металлов под давлением, золь-гель гидролизом.
Наша идея заключается в следующем: создать кубиты в порах опаловой матрицы.
Поскольку материал будет прозрачным для оптического диапазона, кубиты будут связаны
посредством испускания и поглощения фотонов.
Список использованных источников
1. Квантовый компьютер - реальность, а не миф, Сегодня, НТВ 05.04.2008.
2.
Управление
положением
кубитов
в
квантовых
устройствах:
http://www.cybersecurity.ru/hard/23984.html
3. Мырзахмет М.К., Зиякажы Д., Кумисбек Г. Исследование топографии поверхности
кристалла хлорида аммония с помощью атомно-силового микроскопа. Вестник ЕНУ им.
Л.Н.Гумилева, №6, 2010, сс. 154-157.
4. Кумисбек Г. Материалы для квантовых компьютеров. Международная научная
конференция студентов, магистрантов и молодых ученых «Ломоносов-2012», Астана, 2012.
ӘӚЖ 378
ЖОО-да ФИЗИКА КУРСЫ БОЙЫНША ОҚУ ҤДЕРІСІНДЕГІ ДӘРІСТЕРДІҢ
РӚЛІ МЕН ТИІМДІЛІГІН АРТТЫРУ МӘСЕЛЕЛЕРІ
Курмашева Д.Н., kurmashevadin_mail.ru
М.Ӛтемісов атындағы Батыс Қазақстан мемлекеттік унмверситеті, Орал
Ғылыми жетекші - Ж.С. Сырым
Дәріс жоғарғы оқу орындарының пайда болғанынан бастап оқыту әдісі мен формасы
ретінде қолданылып келеді. «Дәріс » сӛзі латынша lectio – оқу деген мағынаныны білдіреді.
Жоғарғы оқу орындағы оқу ҥрдісіндегі дәрістің ролі ғылыми-әдістемелік тҧрғыдан жан-
жақты қамтылған.
Оқу ҥдерісіндегі дәріске басты рольдің берілу себебі:
- дәріс студенттер мен ғылыми-педагогикалық кадрлардың уақытын ҥнемдеуден оқытудың
ҧтымды формасы болып табылады. Ол студенттерге аз уақыт ішінде білімнің кӛп кӛлемін
қамтуға, ғылым методологиясы мен оның практика жҥзінде қолданылуымен танысуға
мҥмкіндік береді.
- дәріс студенттерді ғалымның шығармашылық зертханасымен таныстыруға мҥмкіндік
береді. Физика курсы бойынша дәрісте келесідей оқыту мақсаттары шешіледі:
222
қҧбылыстарды анықтау, кӛрсету мен мҥмкіндігінше тәжірибелік зерттеу; олардың
арасындағы сапалық және сандық байланысты орнату; алынған болжамдар негізінде
зерттеліп отырған қҧбылыстың теориясын қҧру; теорияны байқалған қҧбылыс пен
практикамен сәйкестендіру [3, 34-35 б].
- дәріс оқу ҥдерісіндегі белсенді әдіс болып табылады. Дәрісті тыңдау маңызды ақпаратты
оның ішінде негізгі жағдайларды ерекшелеп және конспектілеп, тәжірибелер мен
формулаларды талдап ӛңдеумен байланысты. Дәріс басқаларды тыңдай білуге тәрбиелейді:
мағынаны тез қабылдай білу, айтылғанды сыни тҧрғыдан бағалау, ол тжӛнінде белгілі бір
пікір қалыптастыру.
- студентке кітаптан гӛрі дәріс ҥлкен педагогикалық-психологиялық әсер қалдыра алады.
Материалға алдын ала ойласырылған мотивациялармен, мәселелік жағдайды қҧру, лектор
материалы логикалы және қызыға баяндау студентті басты мәселеге назарын аудартып
жақсы нәтиже береді.
- дәріс студент пен оқытушыны жақындастыруға, ол олардың дамуы мен қабылдауының
әртҥрлі деңгейін ескеруге мҥмкіндік береді; бҧл лекторға тҥсініксіз мәселені анықтауға және
сәйкес кӛмек кӛрсетуге мҥмкіндік береді.
Физика пәнінің оқытушылары студенттердің сҧрақты тҥсінбегендігі әсерінен байқайды.
Бҧл механика бӛлімі бойынша инерциалдық емес санақ жҥйесіндегі заңдылықтар мен
Кориолис кҥштерінің қарастырғанда байқалады. Сондықтан лектор бҧл сҧрақты баяндауға
басты назар аударуы қажет.
Дәріс қҧрылысы келесі компоненттерден тҧрады: кіріспе бӛлім – тақырыпты ашу
әдісінің атауы, негіздеулуі мен кӛрсетілуі; жоспарланған ғылыми білімді баяндау;
қорытынды бӛлім – қорытындылау, ҥйге тапсырма беру, дәрісхана сҧрақтарына жауап беру.
Дәріске қойылатын талаптар жоғары оқу орынындағы ҥдерістің дидактикалық
принциптерінен шығады. Олар: баяндау формасының терең ғылымилылығы мен мінсіздігі,
қабылдауға қол жетімділік, студенттердің ӛздік жҧмысын белсенді жасау.
Жоғары оқу орындарындағы физиканы оқытудың әдістемесі мен тәжірибесінің
кӛзқарасы бойынша бҧл талаптарға тоқталатын болсақ:
- ЖОО-да оқыту тәжірибесі бойынша дәріс әрдайым суденттердің назарын аударады.
Материалды баяндай отырып лекторға «Қандай мақсатта және нені оқытқысы келеді? Не
ҥшін уақыт пен энергияны жойып білім мен дағдыны қалыптастырады?» деген сҧрақтарға
жауап беруі керек. Оқытушы ғылымды қоғам қажеттілігіне мен дәрісхананың кәсіби
мәселелерін сәйкестендіріп, бҧл сҧрақты белсенді талдауы қажет етеді.
- ЖОО-дағы дәрістің мазмҧны терең ғылыми болуы қажет. Материалдың ғылыми баяндалуы
қазіргі заманғы ғылымның деңгейін, оның зерттеу әдістері мен даму тенденцияларын
бейнелейді.
- Қазіргі ғылым мен оның зерттеу әдістерінің нәтижелерін меңгеру жоғарғы оқу орынның
жас мамандарын дайындау мәселелерін жоймайды. Қазіргі уақыттағы ғылыми-техникалық
прогресстің екпіні ғылыми білім мен біліктіліктің шапшаң ескіріуіне алып келеді. Сондықтан
студенттің ӛзбетімен оқып, ҥйренуі қажет болады. Бҧл жағдайда оқытушы тек білімді ғана
беріп қоймай, сонымен қоса студенттердің ойлау қабілетін дамытуы қажет.
- Дәріс материалын баяндау зерттеу сипатында болуы керек. Себебі бҧл студенттердің ойлау
қабілетін, қорытынды жасауға асықпауға, талдау мен тексеруге ҥйретеді. Лектор
студенттерді бірге ойлауға баулуы қажет. Мҧны жҥзеге асыру ҥшін келсідей қҧралдар
қолданылады:
-
Ең алдымен қарасырылып отырған материалға студенттердің ойын бағыттау мәселесі.
Бҧған ойластырылған уаж тиімді әсерін тигізеді: мәселені жан-жақты қарастыру, оның мәнін
теория мен практика ҥшін ашу, ескеруіге қажет ерекшеліктерді кӛрсету. Динамика тарауы
бойынша дәрістен бастамасынан мысал келтірейік: «Біздер алдыңғы тарауда қозғалысты
туындатушы себептерге байланыссыз дене (материалдық нүкте) қозғалысын
қарастырдық. Механиканың бұл тарауы кинематика деп аталды. Енді динамика тарауына
кӛшеміз. Онда қозғалысты туындатушы күштердің әсеріне байланысты дененің қозғалысы
223
зерттеледі. Динамиканың негізгі заңдарын XVII ғасырдың 80-ші жылдары Ньютон
тағайындағын.Олар кӛптеген ғасырлардағы тәжірибе нәтижелерін кӛрсетеді... ».
-
Дәрісті баяндау дайындалған белгілі жоспар бойынша жҥруінің мәні зор. Онда маңызды
материалды таңдап алу, студенттердің белсенді жҧмысы ҥшін лектордың алдын ала
қҧрастырылған сҧрақтар жҥйесін жасауы қажет.
-
Студенттердің ойлауы мен пәнге деген қызығушылықтарын белсенділендіру ҥшін дәрісті
оқу ҥдерісінде сӛйлесу элементтерін қолданған маңызды.
Жоғарыда баяндалған мәселелер негізінде ЖОО-да физика курсы бойынша дәрістердің
тиімділігінің рӛлі зор екендігін атап ӛтуіміз қажет.
Қолданған әдебиеттер тізімі
1. Дахшлегер В.К. Лекция как метод работы в вузе// Сов. Педагогика. – 1943. – №4. – С. 13-
18
2. Г.Ф. Бушок, Е.Ф. Венгер Методика преподавания общей физики в высшей школе. –К.:
«Освита Украины».2009. 415 с.
3. Проблемы преподования физики, - М.: Знание, 1978.
УДК 544.653.1: 546.74: 546.73
СИНТЕЗ И СТРУКТУРА БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ
КОБАЛЬТА И НИКЕЛЯ
Нарбеков С.К., Жумажанова А.Т.,
samat_narbekov@mail.ru
Лаборатория инженерного профиля
Евразийского национального университета имени Л.Н.Гумилева, Астана
Научный руководитель - М. Здоровец, А. Машенцева
Наноструктуры на основе никеля и кобальта являются перспективным направлением в
разработке магнитных метаматериалов [1]. Получение структуры в виде многослойных и
гранулированных
нанопроволок
осуществляется
исключительно
методом
электролитического осаждения в поры мембран из одного электролита как в
потенциостатическом, так и в гальваностатическом импульсных режимах [2].
В данной работе нами получены упорядоченные массивы биметаллических
наноразмерных структур кобальта и никеля. Электроосаждение в 70 нм каналы трековых
мембран толщиной 12,0 мкм и плотностью пор 1,0∙10
9
пор/см
2
проводили в
потенциостатическом режиме при напряжении 1,0 В из электролита состава 120 г/л
CoSO
4
×7H
2
O, 107 г/л NiSO
4
×7H
2
O и 45 г/л H
3
BO
3
. Аскорбиновую кислоту (1,5 г/л) добавляли
для поддержания нужного уровня рН=3,0.
Контроль процесса осаждения осуществляли методом хроноамперометрии с
использованием мультиметра Agilent 34410A и специальной программы, позволяющей
записывать экспериментальные значения на персональный компьютер.
Хроноамперометрический анализ синтеза наноструктур позволяет достаточно точно
контролировать длину и форму получаемых нанопроволок. На экспериментальных токовых
кривых общепринято выделять 4 стадии роста наноструктур [3]:
Стадия 1 – начало заполнения темплата, рост нанопроволок внутри мембраны.
Стадия 2 – окончание заполнения темплата, начало процесса осаждения на
поверхности мембраны.
Стадия 3 – осаждение металла на сплошной поверхности.
224
На рисунке 1 представлена экспериментальная кривая изменения тока в системе
осаждения никеля и кобальта из раствора рабочего электролита.
I
II
III
1
3
5
7
0
5
10
15
20
время, мин
то
к,
м
А
Рисунок 1 - Хроноамперограмма процесса электрохимического осаждения кобальта и
никеля в каналы ТМ
Как видно из графика, представленного на рисунке 1, процесс осаждения был
остановлен на завершающей третьей стадии, когда на поверхности мембраны происходит
образование массивного монолитного слоя (рисунок 2в).
После удаления темплата (путем растворения в растворе дихлорметана в течение 72
часов) на растровом электронном микроскопе были получены микрофотографии
упорядоченного массива наноструктур (рисунок 2а и 2б). Размерность данных нитевидных
проволочек не превышает 65-75 нм.
а
б
в
Рисунок 2 – Микрофотографии массива нитевидных проволок Co/Ni
На данный момент продолжается исследование структуры и состава полученных
объектов методами сканирующей туннельной микроскопии (морфология и магнитные
свойства), а также состава нанопроволочек методом энергодисперсионного микроанализа.
Список использованных источников
1.
Шадров В.Г. Межкристаллитное магнитное взаимодействие и свойства магнитных
наноструктур. Минск: Изд. Центр БГУ, 2010. – 234 с.
2.
D. Li, Thompson R.S., Bergmann G. et.al. Template-based synthesis and magnetic properties of
cobalt nanotube arrays. // Adv. Mater. – 2008. –Vol. 20. – P.4575–4578.
3.
Xiang-Zi Li. Template electrodeposition to cobalt-based alloys nanotube arrays. // Materials
Letters. – 2009. – Vol. 63. P. 578–580.
225
Исследования выполнены в рамках подпроекта «Создание фильтрационных
материалов и металлических наноструктур на основе трековых мембран», финансируемого
в рамках Проекта Коммерциализации Технологий, поддерживаемого Всемирным Банком и
Правительством Республики Казахстан.
УДК 530.145
ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ НОРМАЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ
ПРИ ОТРАЖЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ТМ ВОЛНЫ ОТ АНИЗОТРОПНОЙ
СРЕДЫ КЛАССА 42´2´ С ПЬЕЗОМАГНИТНЫМ ЭФФЕКТОМ
Оразымбетов К.Б.,
kudi.kz@gmail.com
Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Астана
Научный руководитель - С.К.Тлеукенов
Основные
положения
моделей
физики
сплошной
среды,
учитывающие
взаимодействия полей различной физической природы, изложены в работах Л. Д. Ландау, Е.
М. Лифшица [1], Ж. Можена [2], Л. И. Седова [3, 4], H. A. Haus [5] и др.
Если рассматривать развитие отдельных направлений в волновой физике, то можно
отметить, что успехи в области акустооптики, акустоэлектроники и оптоэлектроники в
последнее время были обусловлены, например, тем, что для различных применений были
созданы новые материалы с необычными свойствами. В частности, появились новые классы
материалов, таких, как фотонные кристаллы, среды с негативной рефракцией и т.д.,
обладающие уникальными физическими характеристиками. Ожидается, что такие материалы
в ближайшее время будут использованы в современных радиофизических и
оптоэлектронных устройствах, а также в лазерной технике, оптике и спектроскопии для
управления параметрами электромагнитного излучения.
В данной работе на основе метода матрицанта [6] проведен численный анализ задачи
отражения электромагнитной ТМ волны на границе «изотропный диэлектрик –
анизотропный кристалл класса 42
/
2
/
с пьезомагнитным эффектом».
Матрица коэффициентов. Определяющие соотношения для анизотропной среды с
пьезомагнитным эффектом, как известно, имеют вид [1, 5]:
k
ijk
kl
ijkl
ij
H
Q
с
(1)
ij
ijk
j
ij
i
Q
H
B
(2)
j
ij
i
E
э
D
(3)
где
ij
– тензор напряжения,
ijkl
c
– тензор упругости;
)
(
2
1
,
,
l
k
k
l
kl
u
u
тензор деформации;
ijk
Q – тензор пьезомагнитных коэффициентов;
ij
э ,
ij
– тензоры
диэлектрической и магнитной проницаемости; E
– напряженность электрического поля; H
– напряженность магнитного поля; B
– индукция магнитного поля; D
– вектор
электрического смещения.
Уравнения движения упругой среды [4]
2
2
t
u
x
i
j
ij
(4)
где
– плотность среды; u
– вектор смещения.
Уравнения Максвелла (вектор плотности тока
0
j
) [8]
226
t
B
E
rot
;
t
D
H
rot
(5)
Анализ системы уравнений (1) – (5) в случае гармонических волн, проводится на
основе метода разделения переменных и представления решения в виде [8]:
)
exp(
,
,
,
iny
imx
t
i
z
f
t
z
y
x
f
(6)
где
m
и
n
– компоненты волнового вектора.
Используя (6), система уравнений (1)–(5) приводится к эквивалентной системе
дифференциальных уравнений первого порядка [9]:
w
B
dz
w
d
(7)
здесь
t
x
y
yz
y
x
y
xz
x
zz
z
E
H
u
H
E
u
u
w
)
,
,
,
,
,
,
,
,
,
(
– вектор столбец содержащий независимые
характеристики
упругого
и
электромагнитного
полей;
]
,
,
),
(
),
(
),
(
),
(
),
(
[
n
m
z
z
z
э
z
Q
z
c
B
B
ij
ij
ijk
ijkl
– матрица коэффициентов, элементы которой
содержат в себе физико-механические параметры среды и частоту связанных упругих и
электромагнитных волн.
Тензоры диэлектрической и магнитной проницаемости характеризуются 2
различными элементами [5].
;
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
;
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
33
31
31
15
15
66
44
44
33
13
13
13
11
12
13
12
11
Q
Q
Q
Q
Q
Q
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
ik
33
11
11
33
11
11
0
0
0
0
0
0
;
0
0
0
0
0
0
э
э
э
э
ij
ij
Структура матрица коэффициентов, позволяет определить, какие типы волн связаны между
собой.
В случае распространения связанных упругих и электромагнитных волн в анизотропной
среде класса 42
/
2
/
с пьезомагнитным эффектом в плоскости xz (n=0):
y
yz
x
x
y
y
yz
y
yz
y
H
э
m
c
Q
i
c
Q
i
dz
dE
E
э
i
dz
dH
u
c
m
dz
d
H
c
Q
c
dz
du
)
(
1
33
2
2
44
2
15
11
44
15
11
2
2
66
2
44
15
44
(8)
Достарыңызбен бөлісу: |