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

Аммиак из пингвиньего гуано внес вклад в формирование облаков над Антарктидой Аммиак из пингвиньего гуано внес вклад в формирование облаков над Антарктидой

Из-за чего падает облачность в Антарктике?

N+1
Вещи, с которыми ассоциируется исключительно СССР Вещи, с которыми ассоциируется исключительно СССР

Самые простые бытовые предметам, которые неотделимы от советского образа жизни

Maxim
Окислительное присоединение на палладии прошло по радикальному механизму Окислительное присоединение на палладии прошло по радикальному механизму

Представление о реакции окислительного присоединения на палладии было неполным

N+1
Кинососедские отношения Кинососедские отношения

Как южнокорейское кино очеловечило своих северокорейских героев

Weekend
Млечный Путь и Андромеда прямо сейчас мчатся навстречу друг другу — космический апокалипсис или слияние галактик? Млечный Путь и Андромеда прямо сейчас мчатся навстречу друг другу — космический апокалипсис или слияние галактик?

Млечный Путь и Андромеда сейчас стремительно движутся навстречу друг другу

Inc.
Черный лебедь и Ревущий Котенок Черный лебедь и Ревущий Котенок

«Дурные деньги»: история Кита Гилла, сломавшего Уолл-стрит

Weekend
Весь мир потрясло произошедшее в Турции в феврале месяце сильнейшее за 80 лет землетрясение Весь мир потрясло произошедшее в Турции в феврале месяце сильнейшее за 80 лет землетрясение

Могло ли землетрясение 2023 года в Турции быть искусственным?

Зеркало Мира
Диета «Стол № 9»: правила питания и рецепты блюд при диабете 2-го типа Диета «Стол № 9»: правила питания и рецепты блюд при диабете 2-го типа

«Стол № 9»: насколько принципы этой диеты актуальны в наше время

РБК
Ореховский мир 1323 года Ореховский мир 1323 года

Ореховский мир в историческом контексте и исторической перспективе

Знание – сила
Спи, моя радость Спи, моя радость

Как за неделю наладить режим сна и начать выспаться

Лиза
Большинство россиян отказываются от сладкого и мучного, чтобы похудеть. Эффективно ли это? Большинство россиян отказываются от сладкого и мучного, чтобы похудеть. Эффективно ли это?

Каких правил следует придерживаться, отказываясь от сахара?

Psychologies
Наследство победителей: как октябрь 1993-го помог создать легенду о лихих 90-х Наследство победителей: как октябрь 1993-го помог создать легенду о лихих 90-х

Исторические споры часто замещают собой дискуссию о современном моменте

Forbes
Музеи, космолеты, казино, поддержка Трампа: чем занимаются богатейшие женщины Америки Музеи, космолеты, казино, поддержка Трампа: чем занимаются богатейшие женщины Америки

Самые богатые женщины Америки и их источники дохода

Forbes
Выйти из тени отца: как режиссер София Коппола обрела собственный голос Выйти из тени отца: как режиссер София Коппола обрела собственный голос

О творческом пути Софии Коппола, которой удалось выйти из тени отца-режиссера

Forbes
Как правильно медитировать: пошаговая инструкция для новичков Как правильно медитировать: пошаговая инструкция для новичков

Собрали ответы на самые частые вопросы о том, как правильно медитировать

РБК
Могут ли космонавты простудиться в космосе? Могут ли космонавты простудиться в космосе?

Застрахованы ли космонавты от болезней во время своих миссий?

ТехИнсайдер
Как москвич трижды запускал обучающий сервис для детей и продал его «Яндексу» Как москвич трижды запускал обучающий сервис для детей и продал его «Яндексу»

Как создавалась «Сказбука» и зачем «Яндекс» её выкупил?

Forbes
«Машины душевных мук»: нужно ли читать соцсети бывшего «Машины душевных мук»: нужно ли читать соцсети бывшего

Как пережить разрыв, если соцсети держат нас в курсе событий в жизни бывшего?

Psychologies
Завтрак успешного дня Завтрак успешного дня

Что бы тебе ни предстояло, главное — правильно построить свое меню!

Лиза
Тайна, покрытая маской Тайна, покрытая маской

Одна из самых знаменитых загадок французской истории: тайна Железной Маски

Дилетант
Мэттью Перри: предсмертные откровения о зависимости, отношениях с женщинами и поисках Бога Мэттью Перри: предсмертные откровения о зависимости, отношениях с женщинами и поисках Бога

Глава из книги Мэттью Перри «Друзья, любимые и одна большая ужасная вещь»

Psychologies
Как сделать комплимент мужчине, который он оценит: советы психологов Как сделать комплимент мужчине, который он оценит: советы психологов

Мужчины и женщины воспринимают и интерпретируют комплименты по-разному

РБК
Преступление, наказание и похмелье Преступление, наказание и похмелье

Из чего складывается петербургский миф современных российских сериалов

Weekend
Американская мечта, поло и плюшевый мишка: что нужно знать о дизайнере Ральфе Лорене Американская мечта, поло и плюшевый мишка: что нужно знать о дизайнере Ральфе Лорене

Как выходцу из эмигрантской семьи удалось построить свою модную империю

Правила жизни
Как криминалистка Софья Файнштейн ловила первого серийного убийцу СССР Как криминалистка Софья Файнштейн ловила первого серийного убийцу СССР

Как криминалистка Софья Файнштейн ловила Мосгаза

Forbes
Как правильно ухаживать на верхней одеждой, чтобы она прослужила не один сезон Как правильно ухаживать на верхней одеждой, чтобы она прослужила не один сезон

Как хранить верхнюю одежду, чтобы она прослужила дольше?

ТехИнсайдер
Как отличить здоровую самоценность от нарциссического расстройства Как отличить здоровую самоценность от нарциссического расстройства

Как вообще отличить патологический нарциссизм от любви к себе?

Psychologies
Стричься не нужно: как отрастить длинные волосы после 50 лет и сохранить их красивыми Стричься не нужно: как отрастить длинные волосы после 50 лет и сохранить их красивыми

Как правильно после 50 лет ухаживать за длинными волосами?

VOICE
Спорт и ментальное здоровье: как превратить тренировки в медитацию Спорт и ментальное здоровье: как превратить тренировки в медитацию

Какие виды спорта лучше всего подойдут для медитирования

Forbes
Культурная утрата: как эмигранты переживают отрыв от корней и почему живут в прошлом Культурная утрата: как эмигранты переживают отрыв от корней и почему живут в прошлом

Беженцы и эмигранты сталкиваются с особым типом горевания — культурной утратой

Forbes
Открыть в приложении