Išradingai manipuliuodami atomais, Lietuvos fizikai tikisi sukurti  diagnostikos priemones, kurios nustatys ligą iš burnos kvapo, ir naujos kartos optinio ryšio lazerius internetui, kurie sutaupys milijonus.

Manipuliuoti atomais – vienas perspektyviausių užsiėmimų XXI amžiuje. Lietuvių liaudis jau senų senovėje pastebėjo, kad mažas akmenėlis didelį vežimą verčia. O pačios mažiausios materijos dalelės, įvairiai tarpusavyje derinamos, vis dažniau sukelia perversmą mūsų gyvenime. Padovanoja mums neregėtų prietaisų arba medžiagų, pasižyminčių unikaliomis savybėmis. Pavyzdžiui, iš nanometrinio dydžio objektų, molekulių ar atomų konstruojamos metamedžiagos. Jų elektromagnetinės savybės iš esmės skiriasi nuo susintetintų cheminiu būdu ir jas net galima paversti nematomomis. Itin daug manipuliacijų patiria ir tokios puikiai žinomos medžiagos, kaip šiuolaikinės elektronikos karalius – silicis.

„Iš esmės vienas puslaidininkis – ketvirtosios grupės elementas silicis – dominuoja visoje rinkoje. Pernai silicio lustų pardavimai siekė net 320 mlrd. dolerių. Pridėkime iš silicio gaminamus saulės elementus – dar 40 mlrd. dolerių, ir vaizdo jutiklius – 20 mlrd. dolerių. Tai sudaro 90–95 proc. visos puslaidininkių pramonės produkcijos“, – sako prof.  Arūnas Krotkus.

Silicio mikroschemos pasaulyje paplito itin plačiai. Jų apstu ir šiuolaikiniuose buitiniuose prietaisuose. Tačiau niekas nėra tobulas – silicis irgi. Optoelektronikoje ir mikrobangų elektronikoje naudojami kitokie puslaidininkiai. Kaip liudija pavadinimas, tai technologijos, elektrą paverčiančios šviesa ir atvirkščiai. O to šiuolaikiniam pasauliui labai reikia.

„Visos optoelektronikos rinka siekia apie 20 mlrd. dolerių per metus. Tai nepalyginamai geriau išsivysčiusi technologija negu kitų puslaidininkių, bet silicis nešviečia. Jis negali šviesti“, – aiškina A. Krotkus.

Puslaidininkiniuose lazeriuose, kompaktinių plokštelių grotuvuose, optinio ryšio įrangoje, mobiliuosiuose telefonuose naudojami ne iš silicio pagaminti tranzistoriai.

Mokslininkų išradingumas neturi ribų. Australijos Nacionalinio universiteto tyrėjai neseniai paskelbė sukūrę pirmąjį kambario temperatūroje veikiantį nanovielelių lazerį. Tą patį tvirtina ir Miuncheno technikos universiteto specialistai. Jų prietaise puslaidininkinės nanovielelės irgi veikia kaip lazeris.

IBM tyrėjai pasinaudojo grafeno spektrinėmis savybės ir sukūrė kintamos bangos šviesos lazerius, kurie naudojami optoelektronikos sistemose. Jų tikslas – tokius grafeno pagrindu sukurtus lazerius panaudoti aplinkos taršos stebėsenai, saugumo sistemose, spektroskopijai. Tikima, kad bus sukurtas ir silicio lazeris, nes nanovielelės jau auginamos ant silicio. Mokslininkai tęsia manipuliacijas atomais.

„Dabar puslaidininkių tyrimų ideologija yra pasikeitusi.  Žinodami, kokį prietaisą norime sukurti, žinodami, kokios turi būti tos medžiagos charakteristikos, mokslininkai ir stengiasi tokią medžiagą sukurti“, – sako pašnekovas.

Galio ir Arseno nitridai ilgai buvo naudojami optoelektronikoje. Iš jų sukurti pirmieji lazeriai, atsirado pirmieji galios tranzistoriai. Arseno atomą pakeitus mažesniu – azotu, tokie lazeriai ėmė šviesti ultravioletinės bangos ilgio diapazone. Valstybinio mokslinių tyrimų instituto Fizinių ir technologijos mokslų centro mokslininkai, vadovaujami A. Krotkaus, vykdydami projektą „Epitaksinių praskiestųjų bismidų sluoksnių ir darinių technologija ir tyrimai“, pasirinko kitą kelią. Jie arseno atomą pakeitė didesniu atomu.

„Mes naudojame penktos grupės elementą bismutą. Jis pats didžiausias iš tų, kuris dar nėra radioaktyvus. Jis tinkamas infraraudonai sričiai. Kuriant tokį puslaidininkį, reikia įdėti dešimt procentų bismuto. Mes buvome pirmieji, kuriems pavyko tiek įdėti į galio arsenidą, 10 proc. arseno atomų pakeisti bismuto atomais“, – pasakoja mokslininkas.

Iš galio, indžio ir aliuminio bei arseno ir fosforo atomų sudaryti kristalų sluoksniai yra kompaktinių plokštelių grotuvuose ar spausdintuvuose esančių lazerinių diodų bei daugumos optinio ryšio sistemų komponentų pagrindas.

Technologiškai įsisavintų šių grupių junginių nėra daug, todėl kiekvieno naujo šios grupės puslaidininkio atradimas yra svarbus įvykis. Ypač tuomet, jei naujoji medžiaga turi savybių, kurių neturėjo jau žinomi kristalai.

„Kada bismuto medžiagoje yra 6 procentai, medžiaga pasidaro jautri vieno mikrono bangos ilgio lazeriams. Mūsų tikslas buvo padaryti medžiagą, kuri būtų jautri vieno mikrono bangos ilgiui. Tuo metu ieškojome medžiagų, iš kurių gamintume terahercinio diapazono imtuvus, generatorius ir pan.“, – sako A. Krotkus.  

Iki šiol buvo naudojami įprastiniai galio ir arseno junginiai. Tokiems prietaisams sužadinti naudojami dideli femtosekundiniai lazeriai. Bismuto atomais papildytas, vieno mikrono bangos ilgio šviesą spinduliuojantis lazeris yra šviesolaidinis. Jis telpa nedidelėje dėžutėje, yra daug pigesnis.

Tačiau tokiam lazeriui reikia specialios medžiagos, kurios elektrinis laidumas stipriai išaugtų, ją apšvietus trumpu lazerio impulsu, ir sparčiai grįžtų į pradinę, mažo laidumo būseną impulsui pasibaigus.

Lietuvos fizikams pirmiems pavyko sukurti bismidų sluoksnius su trumpesne nei viena pikosekundė elektronų gyvavimo trukme, jautrius infraraudonųjų lazerių spinduliuotei.

„2003 metais pasirodė moksliniai darbai japonų, kanadiečių, kurie norėjo įterpti apie dešimt procentų bismuto, kad tuos sluoksnius būtų galima naudoti puslaidininkių lazerių gamybai. Tokie lazeriai skleistų bangas, kurių ilgis yra pusantro mikrono. Tai vadinamasis optinio ryšio langas. Visos linijos tuo bangos ilgiu ir dirba. Tik skirtumas bismidinių lazerių tas, kad jie būtų efektyvesni. Mažiau kaistų“, – aiškina fizikas.

Temperatūrai keičiantis, keičiasi spinduliuojamos bangos ilgis. Optinio ryšio linijose vienas ryšio kanalas nuo kito skiriasi vos keturiais nanometrais. Pakanka temperatūrai pakisti keliais laipsniais, ir tie ryšio kanalai susimaišo.

Lazeris veikia efektyviai, jeigu jis pagamintas iš itin švarios puslaidininkinės medžiagos. Todėl elektronai priversti jungtis su skylutėmis, išspinduliuodami fotoną. Iš pradžių pasaulio fizikai bandė įterpti kuo daugiau bismuto. Tačiau niekam nepavyko. Lietuviams pasisekė todėl, kad jie sugalvojo sumažinti puslaidininkių auginimo temperatūrą. Naudodami molekulių pluoštelių epitaksiją specialiame reaktoriuje, jie augina vieną medžiagos sluoksnį ant kito.

Kaip pasakoja A. Krotkus, „bismutas sunkiai lenda, nes tai didelis atomas. Pabandykit jūs į padėkliuką vištos kiaušiniams įdėti žąsies kiaušinį. Iš karto tvarka suirs. Lygiai tas pats ir kristale – ryšiai tarp atomų įtempti, atsiranda defektai, kurie neleidžia elektronams šviesti“.

Kad lazeris gerai šviestų, bismuto į arsenidą turi būti įterpta 12–13 proc. To kol kas dar niekas nesugeba padaryti. Tarp dviejų galio arsenido sluoksnių įterptas bismido sluoksnis formuojamas toks plonas, kad jame vos tilptų elektronas. Judėti jam nėra kur, todėl jis neišvengiamai susitinka su skylute, išspinduliuodamas fotoną.

Reaktorius, kuriame gimsta tokios daugiasluoksnės medžiagos, yra puslaidininkių technologijos viršūnė. Jame sukuriamas labai didelis vakuumas. Be to, reaktorius stipriai atšaldomas, kad jo viduje likę kitų cheminių elementų atomai priliptų prie sienelių.

Į reaktoriaus apačioje esančias krosneles sudėtos medžiagos garinamos ir suformuoja kelių nanometrų storio puslaidininkio sluoksnius. Šiuo metu mokomasi auginti indžio-bismuto-arseno, aliuminio-bismuto-arseno ir indžio-galio-bismuto-arseno junginius. Iš jų būtų gaminami efektyvesni lazeriniai diodai optiniam ryšiui, įvairūs optoelektroniniai jutikliai bei kiti komponentai.

„Kadangi vakuumas didelis, išgarinti atomai sklinda kaip šviesa – tiesiai ir lekia į padėklą, ant kurio auginame puslaidininkį. Toks aparatas vadinasi molekulių pluoštelių epitaksijos agregatas“, – teigia pašnekovas.

Prieš pat naujuosius metus Lietuvos fizikai pagamino pirmąjį bismido lazerį su bismuto kvantinėmis duobėmis, kuris spinduliuoja 1,2 mikrono bangos ilgio šviesą. A. Krotkus sako, jog pusė kelio jau nueita. Pasirinkus kitą puslaidininkių grupę – indžio fosfido, iš kurių dabar gaminami optiniam ryšiui skirti puslaidininkiai, bangos ilgį galima dar labiau padidinti. Jau sukurti sluoksniai, spinduliuojantys 2,5 mikrono bangos ilgio šviesą.

„Kai pabaigsime darbus su optinio ryšio lazeriais, pradėsime kurti infraraudonojo diapazono lazerius. Panašius kuria firma „Brolis semiconductors“. Tik jie įterpia ne bismutą, o šiek tiek mažesnį atomą – stibį. Jie dabar pasiekia  3,5 mikrono bangos ilgį. Naudojant bismutą, iš principo galima sukurti lazerius, spinduliuojančius 6 mikronų bangos ilgio diapazone. Tokiame diapazone dirbantys lazeriai labai tiktų dujų sensoriams gaminti“, – tvirtina mokslininkas.

Tokiame diapazone yra daugumos dujų sugerties linijos. Pasinaudojant šiomis technologijomis, ketinama sukurti itin jautrias, naujo tipo ligų diagnostikos priemones. Kaip pasakoja A. Krotkus, „iškvepiamame ore yra 29 skirtingos medžiagos, kurių koncentraciją galima matuoti ir taip diagnozuoti susirgimus. Viena iš dujų sensorių panaudojimo sričių būtų iškvepiamo oro analizė“.

Tokie diagnostikos prietaisai būtų gana kompaktiški, nes naudojami lazeriai tėra kelių milimetrų dydžio. Daugiausia vietos užimtų vamzdelis, kuriame daug kartų atspindėta šviesa sąveikautų su tiriamosiomis dujomis. Kitas tikslas, galintis turėti milžinišką ekonominį efektą, – sukurti optiniam ryšiui skirtą lazerį, kurio spinduliuojamos bangos ilgis nepriklausytų nuo temperatūros.

„80 proc. visų elektros sąnaudų interneto serveriuose tenka peltier elementams – termoelektriniams šaldikliams, kurie palaiko stabilią lazerio temperatūrą. Žmonija kas mėnesį sumoka 60 mln. dolerių už elektros energiją, sunaudojamą interneto paieškos sistemų. Dabartinius indžio fosfido pagrindu pagamintus lazerius, kurie išskiria daug šilumos, pakeitus geresniais, būtų galima sutaupyti milijonus“, – sako mokslininkas.

Lazeris generuoja impulsus, kuriuose yra užkoduota interneto tinklais siunčiama ir gaunama informacija. Tokių įrenginių labai daug. Lietuvos fizikai, siekdami išspręsti šią problemą, bendradarbiauja su Vokietijos, Anglijos, Airijos mokslininkais. Kasmet atsiranda naujų grupių, bandančių užauginti tokius puslaidininkius. Turint omenyje minėtus pasiekimus, galima neabejoti, kad ši problema irgi bus sėkmingai išspręsta.